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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AGRÍCOLA
DESEMPENHO MECÂNICO DO SOLO CONDICIONADO COM LODO DE ESGOTO CALCINADO
IEDO LOURENÇO MADALOZZO
CASCAVEL – PR – BRASIL2008
IEDO LOURENÇO MADALOZZO
DESEMPENHO MECÂNICO DO SOLO CONDICIONADO COM LODO DE ESGOTO CALCINADO
Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Agrícola, curso de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola, área de concentração em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental, Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas da Universidade Estadual do Oeste do Paraná.
Orientador: Prof. Dr. Décio Lopes Cardoso
CASCAVEL – PR – BRASIL2008
Ficha catalográficaBibliotecária Jeanine da Silva Barros - CRB-9/1362
M178d Madalozzo, Iedo LourençoDesempenho mecânico do solo condicionado com lodo de esgoto
calcinado. / Iedo Lourenço Madalozzo. —Cascavel, PR: UNIOESTE, 2008.83 f. ; 30 cm
Orientador: Prof. Dr. Décio Lopes CardosoDissertação (Mestrado) – Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu da
Universidade Estadual do Oeste do Paraná – UNIOESTE, Mestrado em Engenharia Agrícola – área de concentração em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental.
Bibliografia.
1. Resíduos. 2. Estabilização. 3. Desempenho mecânico. 4. Lodo de esgoto. I. Cardoso, Décio Lopes. II. Universidade Estadual do Oeste do Paraná. III. Título.
CDD 21ed. 628.38CIP – NBR 12899
IEDO LOURENÇO MADALOZZO
DESEMPENHO MECÂNICO DO SOLO CONDICIONADO COM LODO DE
ESGOTO CALCINADO
Dissertação aprovada como requisito parcial à obtenção do grau de Mestre no
Curso de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola da Universidade Estadual do
Oeste do Paraná – UNIOESTE, pela comissão formada pelos professores:
Orientador: Prof. Dr. Décio Lopes Cardoso
Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas, UNIOESTE
Prof. Dr. Everaldo Pletz
Departamento de Estruturas, UEL
Profª. Dra. Maria Hermínia Ferreira Tavares
Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas, UNIOESTE
Profª. Dr. Eduardo Godoy de Souza
Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas, UNIOESTE
Cascavel, 27 de junho de 2008
ii
AGRADECIMENTOS
Ao Grande Arquiteto do Universo, por ser impulso e força em minha
vida.
Aos meus pais, Júlio e Cecília Madalozzo, in memorian, meu amor
infinito.
À Rosana, Taciana e Tanise, por serem meu porto-seguro, abrigo e
ninho.
Ao acadêmico de Engenharia Civil e amigo Eduardo Damin, pela
paciência, apoio e auxílio na realização dos trabalhos de laboratório.
À cunhada Renata, pela colaboração na realização deste trabalho.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Décio Lopes Cardoso, pela amizade,
apoio, incentivo e valiosas sugestões ao longo deste trabalho.
À União Dinâmica de Faculdades Cataratas – UDC, à SANEPAR, na
pessoa do Engenheiro Jackson Archarde Gonçalves, à Cerâmica Santa Rita e
a todos aqueles que, direta ou indiretamente, contribuíram para a elaboração
deste trabalho.
Aos meus familiares e amigos, próximos e distantes, celebrando nossa
amizade.
iii
Toda nossa dignidade consiste, pois, no
pensamento.
É a partir dele que nos devemos elevar e
não do espaço e do tempo, que não
saberíamos ocupar.
Blaise Pascal
iv
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS........................................................................................viii
LISTA DE FIGURAS..........................................................................................ix
LISTA DE SÍMBOLOS, ABREVIATURAS E NOMENCLATURAS...................xi
RESUMO xii
ABSTRACT xiii
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................. 1
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................ 3
2.1 CARACTERIZAÇÃO DE UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE
ESGOTO (ETE) ............................................................................. 3
2.2 PROCESSO GERAL DE TRATAMENTO EMPREGADO NA ESTAÇÃO
DE TRATAMENTO DE ESGOTO OURO VERDE DE FOZ DO
IGUAÇU ......................................................................................... 8
2.3 CARACTERIZAÇÃO DO REATOR ANAERÓBIO DE LODO FLUIDIZADO
(RALF) ........................................................................................... 9
2.4 SISTEMA DE SECAGEM ........................................................................... 10
2.5 CALEAGEM ................................................................................................ 11
2.6 LODO DE ESGOTO .................................................................................... 12
2.7 UTILIZAÇÃO INTERNACIONAL DO LODO DE ESGOTO ........................ 13
2.8 A UTILIZAÇÃO DO LODO DE ESGOTO NO BRASIL ............................... 14
2.9 O LODO DO ESGOTO NO ESTADO DO PARANÁ .................................. 15
2.10 O LODO DO ESGOTO EM FOZ DO IGUAÇU ......................................... 16
2.11 CONDICIONAMENTO E ESTABILIZAÇÃO DE SOLO ............................ 16
2.12 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DAS AMOSTRAS ...................................... 18
2.12.1 Massa específica ................................................................................... 18
2.12.2 Densidade aparente ............................................................................... 18
2.12.3 Granulometria ........................................................................................ 19
2.12.4 Desempenho Mecânico dos Compostos ............................................... 19
3 MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................... 23
3.1 CARACTERIZAÇÃO DO LOCAL DO EXPERIMENTO .............................. 23
v
3.2 CARACTERIZAÇÃO DO RESÍDUO (LODO DE ESGOTO) ....................... 23
3.2.1 Caracterização do lodo de esgoto caleado ............................................. 23
3.2.2 Caracterização do lodo de esgoto calcinado ........................................... 27
3.3 CARACTERIZAÇÃO DO SOLO ................................................................. 28
3.4 COLETA DAS AMOSTRAS UTILIZADAS .................................................. 29
3.4.1 Coleta das amostras de solo ................................................................... 29
3.4.2 Coleta das amostras de lodo de esgoto caleado .................................... 29
3.4.3 Dosagem dos compostos ........................................................................ 29
3.5 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DAS AMOSTRAS ........................................ 30
3.5.1 Massa específica ..................................................................................... 30
3.5.2 Densidade aparente ................................................................................. 31
3.5.3 Granulometria .......................................................................................... 31
3.6 DESEMPENHO MECÂNICO DOS COMPOSTOS ..................................... 32
3.6.1 Índice de compactação ............................................................................ 32
3.6.2 Índice de retração .................................................................................... 33
3.6.3 Ensaio de compressão triaxial ................................................................. 34
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ..................................................................... 44
4.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DOS COMPOSTOS .................................. 44
4.1.1 Massa específica dos sólidos .................................................................. 44
4.1.2 Frações texturais dos compostos ............................................................ 45
4.1.3 Densidade aparente ................................................................................. 46
4.1.4 Curvas granulométricas dos compostos .................................................. 48
4.2 DESEMPENHO MECÂNICO DOS COMPOSTOS ..................................... 54
4.2.1 Índice de compactação ............................................................................ 54
4.2.2 Índice de retração .................................................................................... 56
4.2.3 Resistência ao cisalhamento na compressão triaxial .............................. 57
4.2.4 Envoltórias de ruptura para ensaios triaxiais consolidados não drenados
(Círculos de Mohr) ....................................................................... 63
4.2.5 Coesão dos compostos em função do teor de LEC ................................ 66
4.2.6 Ângulo de atrito interno dos compostos em função do teor de LEC ....... 67
4.2.7 Comportamento tensão-deformação dos compostos .............................. 68
4.3 PLANOS DE RUPTURA NOS ENSAIOS DE COMPRESSÃO TRIAXIAL . 74
5 CONCLUSÕES .............................................................................................. 76
vi
REFERÊNCIAS ................................................................................................ 78
vii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Valores típicos do ângulo de atrito drenado para areias e siltes....22
Tabela 2 - Características do lodo de esgoto caleado em estudos realizados a
pedido da SANEPAR, com amostras coletadas no ano 2007
(limites permitidos estabelecidos pela Resolução CONAMA nº
380/2006).....................................................................................24
Tabela 3 - Teor de matéria orgânica em lodo caleado, de acordo com o ensaio
realizado em laboratório, conforme a NBR 13600 (ABNT, 1996)
.....................................................................................................25
Tabela 4 - Laudo técnico de parâmetros agronômicos....................................27
Tabela 5 - Laudo técnico de parâmetros de metais pesados...........................28
Tabela 6 - Dosagem do compósito em massa (%)...........................................30
Tabela 7 - Frações constituintes de solo segundo a escala granulométrica
brasileira......................................................................................32
Tabela 8 - Massa específica dos sólidos dos compostos................................44
Tabela 9 - Tabela comparativa granulométrica................................................46
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Esquema completo de uma lagoa de estabilização...........................4
Figura 2 - Esquema funcional do lodo ativado...................................................7
Figura 3 - Fluxograma ETE Ouro Verde de Foz do Iguaçu................................8
Figura 4 - Esquema de funcionamento de um RALF.........................................9
Figura 5 - Gráfico da queima do lodo de esgoto (processo de calcinação).....26
Figura 6 - Esquema do processo de produção do lodo de esgoto calcinado.. 26
Figura 7 - Extração do corpo-de-prova do ensaio de Proctor..........................33
Figura 8 - Foto ilustrativa do teste da caixa, utilizado para determinação do
índice de retração........................................................................34
Figura 9 - Ilustração do ensaio de compactação dos corpos-de-prova...........35
Figura 10 - Foto do mini MCV, aparelho utilizado para a moldagem dos
corpos-de-prova de propriedade do DER (Departamento de
Estradas e Rodagem)..................................................................35
Figura 11 - Esquema de um aparelho de compressão triaxial.........................36
Figura 12 - Imagem da preparação do corpo-de-prova com uma pedra porosa
em cada extremidade, antes da colocação da célula triaxial......36
Figura 13 - Célula de compressão triaxial de solo............................................37
Figura 14 - (a) Aplicação da tensão principal σ1 e da tensão de confinamento
σ3; (b) corpo-de-prova rompido; (c) Círculo de Mohr e envoltória
de Coulomb.................................................................................38
Figura 15 - Leitura da densidade da partícula dos compostos.........................45
Figura 16 - Ilustração da tabela comparativa granulométrica..........................46
Figura 17 - Gráfico demonstrativo da densidade aparente dos compostos.....47
Figura 18 - Curva granulométrica do tratamento T0........................................48
Figura 19 - Curva granulométrica do tratamento T1........................................49
Figura 20 - Curva granulométrica do tratamento T2........................................50
Figura 21 - Curva granulométrica do tratamento T3........................................51
Figura 22 - Curva granulométrica do tratamento T4........................................52
Figura 23 - Curva granulométrica de todos os tratamentos.............................53
ix
Figura 24 - Curvas de compactação dos tratamentos......................................55
Figura 25 - Índice de retração dos tratamentos................................................57
Figura 26 - Efeito dos tratamentos e do confinamento no módulo de
elasticidade longitudinal..............................................................59
Figura 27 - Gráfico ilustrativo do Coeficiente de Poisson.................................60
Figura 28 - Comportamento da tensão principal maior de ruptura...................61
Figura 29 - Comportamento do módulo de elasticidade transversal................62
Figura 30 - Círculo de Mohr para o composto T0.............................................63
Figura 31 - Círculo de Mohr para o composto T1.............................................64
Figura 32 - Círculo de Mohr para o composto T2.............................................64
Figura 33 - Círculo de Mohr para o composto T3.............................................65
Figura 34 - Círculo de Mohr para o composto T4.............................................65
Figura 35 - Comportamento da coesão dos compostos em função do teor de
LEC..............................................................................................66
Figura 36 - Comportamento do ângulo de atrito interno dos compostos em
função do teor de LEC.................................................................67
Figura 37 - Comportamento tensão-deformação para o tratamento T0...........69
Figura 38 - Comportamento tensão-deformação para o tratamento T1...........70
Figura 39 - Comportamento tensão-deformação para o tratamento T2...........71
Figura 40 - Comportamento tensão-deformação para o tratamento T3...........72
Figura 41 - Comportamento tensão-deformação para o tratamento T4...........73
Figura 42 - Imagem dos corpos-de-prova rompidos após a compressão
triaxial...........................................................................................75
x
LISTA DE SÍMBOLOS, ABREVIATURAS E NOMENCLATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
CETESB – Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental
DBO – Demanda bioquímica de oxigênio
E – Módulo de elasticidade longitudinal
ETE – Estação de tratamento de esgoto
G – Módulo de elasticidade transversal
Ir – Índice de retração
K – Módulo de deformação volumétrica
LEC – Lodo de esgoto calcinado
Lf – Comprimento final
Li – Comprimento inicial
M.O. – Teor de matéria orgânica
M.O.médio – Teor de matéria orgânica médio
Manel – Massa do anel vazio
Mcc – Massa do conjunto completo com composto
P – Força normal
Vanel – Volume do anel
δap – Densidade aparente
c – Coesão do solo
TFSA – Terra fina seca ao ar
TFSE – Terra fina seca em estufa
T0 – Solo testemunha
T1 – Composto com 8% de lodo de esgoto calcinado
T2 – Composto com 17,5% de lodo de esgoto calcinado
T3 – Composto com 28,5% de lodo de esgoto calcinado
T4 – Composto com 43% de lodo de esgoto calcinado
T5 – Composto com lodo de esgoto calcinado testemunha
SANEPAR – Companhia de Saneamento do Estado do Paraná
USEPA – U.S. Environmental Protection Agency
xi
RESUMO
Dentre os problemas globais que mais suscitam estudos e soluções frente à crise ambiental, despontam os referentes ao destino dos resíduos gerados e o esgotamento sanitário. O desenvolvimento sustentável pressupõe a criação de soluções que visem à diminuição ou eliminação dos impactos sobre o ambiente. Os resíduos podem passar de problema à solução de engenharia. Este estudo tem a finalidade de unir dois problemas e encontrar uma solução única que atenda à questão ambiental e à questão de engenharia de solos. No contexto atual, quanto à gestão ambiental e ao uso racional de materiais, uma das prioridades é a redução dos resíduos produzidos pelas indústrias. A redução dessa produção é possível, mas não a sua total extinção, por isso a necessidade de tornar útil este resíduo, para o seu total reaproveitamento. O uso de resíduos sólidos no condicionamento dos solos (ABNT NBR 5776) é o foco deste estudo, que tem como finalidade o uso racional dos resíduos relacionados à necessidade de reutilização, ao teor ideal de resíduos para o melhor desempenho e ao baixo custo, conseguindo assim o melhoramento das características físicas e do desempenho mecânico do solo da Região Oeste do Paraná. O material proposto para estudo é o lodo de esgoto seco (Classe I da ABNT NBR 10004). O lodo de esgoto é todo o resíduo sólido extraído durante o tratamento de águas residuais para a eliminação nas coleções hídricas. Para a determinação da relação resíduo/solo ideal o solo in natura foi aditivado com resíduo em quatro proporções de tratamento em massa 0%, 8%, 17,5%, 28,5% e 43%. Para a realização dos ensaios as amostras de solo aditivado e in natura foram preparadas conforme a norma da ABNT NBR 6457. Os ensaios de caracterização e de desempenho do solo foram realizados conforme as normas da ABNT. Após o processo de adição ocorreu um acréscimo considerável no índice máximo de compactação e uma diminuição expressiva nos vazios do solo, gerando uma rigidez dos compostos em função do incremento do lodo de esgoto calcinado, melhorando consideravelmente sua estabilização e desempenho mecânico.
Palavras-chave: resíduos, estabilização, desempenho mecânico.
xii
ABSTRACT
MECHANICAL PERFORMANCE OF THE SOIL CONDITIONED WITH BURNED SEWAGE SLUDGE
Amongst the global problems that most rouse studies and solutions before the environment crisis arise the ones concerning the destination of waste and the sewage system. The sustainable development requires the creation of solutions aiming the reduction or the elimination of the impacts on the environment. The waste may become an Engineering solution. The aim of this work is to unite two problems and find a unique solution that answers both to the environmental question and to the soil engineering one. Considering the present situation of environmental management and rational use of substance, one of the priorities nowadays is the reduction of the industrial waste. The reduction of such waste is possible, although its complete elimination is not and, therefore, comes the necessity of transforming this waste into something useful. The use of solid wastes on the soil treatment (ABNT NBR 5776) is the focus of this work, which has the purpose of demonstrating the rational use of the wastes related to the necessity of their reutilization, the ideal tenor of the wastes for a better performance and low cost, accomplishing the improvement of the physical characteristics and the mechanic performance of the soil of West Paraná. The proposed material for this work is the dry sewage sludge (Class I of ABNT NBR 10004). Sewage sludge can be defined as every solid waste extracted during the treatment of residual water to the elimination in water collect. In order to determine the relation waste/ideal soil, the in natura soil was added with waste in four parts of 0%, 8%, 17,5%, 28,5% and 43%. So as to carry out the experiences the samples of added soil and in natura soil were prepared according to the regulations of ABNT NBR 6457. The experiences of the soil’s characterization and performance were accomplished under ABNT rules. After the addition process there was a considerable increase on the maximum compactation level and an excessive decrease on the empty spaces of the soil, generating a hardness of the compounds due to the addition of burned sewage sludge, improving considerably the stabilization and the mechanic resistance of the soil.
Key-words: wastes, stabilization, mechanical performance.
xiii
1 INTRODUÇÃO
A disposição final do lodo de esgoto caracteriza atualmente um sério
problema ambiental, tanto em países desenvolvidos quanto naqueles em
desenvolvimento, como reflexo da ampliação das redes de coleta e tratamento.
O lodo de esgoto é um subproduto das Estações de Tratamento de
Esgoto (ETE) de cidades e indústrias, o qual, após devidamente tratado e seco,
é denominado biossólido e constitui o principal subproduto do processo de
depuração de águas residuais. É um resíduo altamente poluente, cuja
disposição inadequada questiona a própria efetividade das ações de
saneamento. No Estado do Paraná, a questão representa um problema
emergente impulsionado pelas políticas de expansão das redes de coleta,
implantação de novas estações de tratamento de esgoto e a operação efetiva
dos sistemas já instalados, que vem ocorrendo nos últimos anos. A Companhia
de Saneamento do Estado do Paraná (SANEPAR) é a principal operadora dos
serviços de saneamento no Estado. De acordo com o órgão, a companhia
presta serviços de fornecimento de água tratada em 344 sedes municipais e
em 270 distritos ou localidades de menor porte, atendendo, ao todo,
8,3 milhões de pessoas com água tratada e alcançando um índice de cobertura
de 98,6% da população urbana em sua área de concessão. Em termos de
esgotamento sanitário, a companhia atende 146 localidades, totalizando
4,1 milhões de pessoas com acesso à rede coletora de esgotos mantida pela
companhia. O atendimento com serviços de esgotamento alcança 48,7% da
população urbana na área de concessão. Do volume de esgotos coletados,
94,5% recebe tratamento (SANEPAR, 2008). Atualmente, as alternativas de
disposição do lodo de esgoto mais comuns são a descarga oceânica, os
aterros sanitários e a reciclagem agrícola.
A composição do lodo varia muito em função da origem do esgoto:
basicamente, o lodo de esgoto é constituído de matéria orgânica e metais
pesados. O lodo possui um alto nível de patógenos e deve ser higienizado
antes de ser disposto, o método mais comum é o tratamento com cal
(caleação), podendo-se também calcinar o lodo, o que eliminaria a matéria
orgânica. A presença de determinados elementos químicos metálicos no lodo
indica a possibilidade de sua utilização como condicionador das propriedades
de engenharia dos solos que exibam acentuada atividade química, tal como o
solo argiloso do Oeste do Paraná.
A estabilização química de um solo refere-se às alterações produzidas
na sua estrutura pela introdução de certa quantidade de aditivo, suficiente para
melhorar as propriedades físicas e mecânicas do solo, possibilitando o seu
emprego para fins de projeto. A literatura aponta uma série de aditivos
químicos utilizados como estabilizante de solos, podendo ser desde produtos
industrializados, até subprodutos ou resíduos industriais (FRANÇA, 2003).
Esta pesquisa teve como objetivo avaliar a influência do lodo de esgoto
proveniente da Estação de Tratamento de Esgoto Ouro Verde, da cidade de
Foz do Iguaçu, na resistência mecânica e compressibilidade do solo. A
finalidade é dar uma destinação nobre a um resíduo altamente poluidor,
utilizando-o como estabilizador para o solo argiloso da Região Oeste do
Paraná.
Neste trabalho será feita uma tentativa de utilização do referido lodo
adicionando-o ao Latossolo Vermelho Distroférrico do Oeste do Paraná, como
possibilidade de melhoramento das propriedades mecânicas deste solo.
O tema proposto justifica-se por sua relevância atual, no sentido de
buscar uma alternativa sustentável para a disposição de um resíduo poluidor,
aplicando-o na melhoria das propriedades de engenharia do solo.
2
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 CARACTERIZAÇÃO DE UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO (ETE)
O tratamento dos esgotos, que irá proteger o meio ambiente não
poluindo os solos, rios e mares, resulta na produção de um lodo rico em
matéria orgânica e nutrientes, denominado lodo de esgoto ou biossólido, que
necessita de uma adequada disposição final. Uma estação de tratamento
convencional tem, basicamente, a finalidade de promover o tratamento de
esgotos domésticos, dando-lhes condições de serem lançados aos rios,
riachos, lagos ou mar. Os esgotos são encaminhados à Estação de Tratamento
de Esgoto (ETE), onde, de início, são retiradas as impurezas mais grosseiras
(sólidos, gorduras e areia), para posteriormente ser removida a matéria
orgânica, complementando-se o tratamento, eventualmente, com a adição de
cloro como forma de desinfecção. Os efluentes, também chamados de águas
residuárias, são lançados por um emissário ao seu destino final, com um
elevado índice de purificação. A formação de lodo, que é a parte sólida restante
do tratamento, tem eventual utilização como adubo, após ter sido
convenientemente tratado.
Povos mais antigos, como os babilônicos, por exemplo, já construíam
sistemas de esgoto; privadas já eram conhecidas pelos egípcios; os gregos
desenvolveram as duchas e, mais tarde, os banhos públicos. Nesse momento
histórico, portanto, a higiene e o saneamento já eram consideravelmente bem
desenvolvidos. Durante certa época da Idade Média, porém, conta-se que
ocorreu uma grande epidemia atribuída pelos sábios ao hábito de se tomar
banho. Assim, através de uma lei, o banho foi proibido. Na realidade, o que
ocorria era que, em razão das precárias condições de saneamento de então,
as doenças se multiplicavam rapidamente, provocando epidemias. Há uma
3
clara e íntima relação entre a saúde e as condições de saneamento.
(CANTELE, 1989)
O conceito de saneamento, entretanto, ganha a sua expressão maior
quando a visão é ampliada e a atenção é estendida a outros aspectos
envolvidos, além de propiciar saúde e melhoria dos padrões de vida do
homem. Assim, é preciso pensar também em termos de melhoria de
produtividade, valorização das terras e possibilidade de uso dos cursos d’águas
para recreação.
A ETE é o conjunto de instalações e equipamentos destinados a
realizar o tratamento de esgoto sanitário, compondo-se basicamente de
grades, caixas de areia, decantador primário, lodos ativados e/ou filtro
biológico, decantador secundário e secagem do lodo proveniente dos
decantadores. Normalmente, esse processo requer pouca área, apresenta
custos de construção relativamente altos e possui índices de eficiência
elevados (SANEPAR, 1999).
De acordo com CASTRO, COSTA & CHERNICHARO (2007), os
processos de tratamento de esgotos podem ser divididos entre sistemas
simplificados (sem mecanização), caracterizados por lagoas de estabilização,
disposição no solo e reatores anaeróbios e sistemas mecanizados,
caracterizados por lagoas de estabilização com aeração, filtros biológicos e
lodos ativados. Na Figura 1 destacam-se na os principais processos utilizados.
Figura 1 - Esquema completo de uma lagoa de estabilização.
Fonte: VON SPERLING (1996).
Os sistemas de esgoto se caracterizam por:
- Lagoas de estabilização (sem aeração): as principais variantes destas
lagoas são as denominadas lagoas facultativas, construídas de forma simples,
com diques de terra. Os esgotos entram numa extremidade e saem na
4
extremidade oposta. A matéria orgânica, na forma de sólidos em suspensão,
vai para o fundo da lagoa, onde forma uma camada de lodo, que vai, aos
poucos, sendo estabilizada através das bactérias presentes. Na parte superior
da lagoa ocorre a estabilização, por bactérias, da matéria orgânica que não
sedimenta. O oxigênio necessário para a respiração das bactérias é fornecido
por algas, que fazem a fotossíntese. Para as algas crescerem é necessário que
haja insolação suficiente. Os sistemas de lagoas requerem grandes áreas
superficiais, muitas vezes não disponíveis na localidade. Há, portanto,
necessidade de se buscar soluções alternativas que possam trazer uma
redução da área total requerida. Uma variante do sistema de lagoas é o de
lagoas anaeróbias seguidas por lagoas facultativas. Nas primeiras lagoas, de
pequenas dimensões, predominam as reações anaeróbias, as quais ocorrem
na ausência de oxigênio. Com a remoção de, aproximadamente, 50 a 60% da
matéria orgânica nas lagoas anaeróbias, as lagoas facultativas que seguem
podem ser bem menores. A área total ocupada é em torno de 2/3 da área
ocupada por uma lagoa facultativa única. O sistema de lagoas é também
eficiente na remoção de patógenos.
- Disposição no solo: os esgotos são aplicados ao solo, fornecendo
água e nutrientes necessários para o crescimento das plantas. Parte do líquido
evapora, parte pode infiltrar-se no solo e parte é absorvida pelas plantas. Em
alguns processos, a infiltração no solo é elevada e não há efluente. Em outros,
a infiltração é baixa, saindo esgotos (tratados) na extremidade oposta do
terreno. Os esgotos podem ser aplicados ao solo por meio de aspersores,
valas, canais, alagamento, entre outros. Os sistemas de disposição no solo
requerem áreas superficiais bastante elevadas.
- Sistemas anaeróbios: o tratamento anaeróbio é efetuado por
bactérias que não necessitam de oxigênio para a sua respiração Há dois tipos
bastante comuns em nosso meio: o filtro anaeróbio e o reator anaeróbio de
manta de lodo. Ambos os processos requerem pouca área para a sua
implantação.
- Filtro anaeróbio: a matéria orgânica é estabilizada por bactérias
aderidas a um meio suporte (usualmente pedras) em um tanque. O tanque
trabalha afogado e o fluxo do líquido se dá de baixo para cima. O sistema
requer decantação primária (freqüentemente fossas sépticas).
5
- Reator anaeróbio de manta de lodo: a matéria orgânica é estabilizada
por bactérias dispersas no tanque. O fluxo do líquido se dá de baixo para cima.
A parte superior do tanque é dividida em zonas de sedimentação e zonas de
coleta de gás. Entre os gases formados inclui-se o metano. O sistema dispensa
decantação primária, mas usualmente necessita de uma unidade de
pós-tratamento.
- Lagoas de estabilização aeradas: os mecanismos de remoção da
matéria orgânica são similares aos de uma lagoa facultativa. No entanto, o
oxigênio é fornecido por equipamentos mecânicos, denominados aeradores.
Em alguns tipos de lagoas aeradas (lagoas aeradas facultativas), os sólidos
dos esgotos e as bactérias sedimentam, indo para o lodo do fundo. Em outros
(lagoas aeradas de mistura completa), os sólidos e as bactérias permanecem
em suspensão, necessitando serem removidos para uma lagoa de decantação
posterior. Os sistemas de lagoas aeradas requerem menos área do que os
sistemas naturais, porém mais área do que os demais sistemas mecanizados.
- Filtros biológicos: a matéria orgânica é estabilizada por bactérias que
crescem aderidas a um meio suporte (comumente pedras, mas também pode
ser utilizado meio sintético). O esgoto é aplicado na superfície do tanque por
meio de distribuidores rotativos. O líquido percola pelo tanque, saindo pelo
fundo, enquanto que a matéria orgânica fica retida pelas bactérias. Os espaços
livres entre as pedras são vazios, o que permite a circulação de ar. Este
sistema necessita de decantação primária. Em algumas variantes do sistema, o
líquido efluente do decantador final (decantador secundário) é recirculado para
os filtros. Os filtros biológicos requerem uma área inferior à das lagoas
mecanizadas.
- Lodos ativados: a matéria orgânica é removida por bactérias que
crescem dispersas em um tanque (tanque de aeração). A biomassa (bactérias)
do tanque de aeração sedimenta em um decantador final (decantador
secundário), permitindo que o efluente saia clarificado para o corpo receptor. O
lodo que se sedimenta no fundo do decantador secundário é retornado, por
bombeamento, ao tanque de aeração, aumentando a eficiência do sistema. O
fornecimento de oxigênio é feito artificialmente ou por aeradores mecânicos
superficiais ou, ainda, por tubulações de ar no fundo do tanque. Algumas
variantes do processo requerem ou não decantadores primários. Alguns
6
sistemas de lodos ativados operam continuamente, enquanto outros operam de
forma intermitente, como mostrado na Figura 2. Os sistemas de lodos ativados
requerem reduzidas áreas para a sua implantação.
Figura 2 - Esquema funcional do lodo ativado.
Fonte: BARROS (1986).
Em sistemas com remoção freqüente de lodo, seu tratamento e
disposição final são partes integrantes e fundamentais do processo de
tratamento de esgotos. Ampla atenção deve ser dada à questão, muitas vezes
de difícil resposta, sobre o que fazer com o lodo, após o seu tratamento.
O tratamento do lodo tem basicamente dois objetivos: redução do
volume (pela redução da umidade) e a redução do teor de matéria orgânica
(pela estabilização do lodo). Para se alcançar tais objetivos, o tratamento do
lodo usualmente inclui uma ou mais das seguintes etapas:
a) adensamento: redução de umidade (lodo ainda líquido);
b) estabilização: redução da matéria orgânica;
c) desidratação: redução adicional da umidade (lodo sólido).
7
Apesar da alternativa mais comum para a disposição final do lodo ser a
do aterro sanitário, é preciso ter sempre em mente a possibilidade de sua
utilização na agricultura, como fertilizante e recompositor da camada superficial
de solo. Ao se investigar esta alternativa, deve-se avaliar com cuidado a
possibilidade de transmissão de doenças no círculo lodo – vegetais – homem
(CASTRO; COSTA & CHERNICHARO, 2007).
2.2 PROCESSO GERAL DE TRATAMENTO EMPREGADO NA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO OURO VERDE DE FOZ DO IGUAÇU
De acordo com WEBER (2008), a ETE Ouro verde tem vazão média de
operação de 40 litros por segundo e 75% de eficiência na remoção da carga
orgânica do resíduo, produzindo, anualmente, 20 toneladas de lodo, com
potencial para ser utilizado como fertilizante agrícola. Em maio de 2008 a ETE
Ouro Verde foi inaugurada como projeto piloto de geração de biogás,
transformando o gás metano, produzido no tratamento anaeróbio do lodo de
esgoto, em energia elétrica.
Os sistemas de tratamento de esgotos empregados pela unidade de
Foz do Iguaçu seguem o fluxo apresentado na Figura 3.
Esgoto bruto Gradeamento Desarenador Reator Anaeróbio de Lodo Fluidizado
Filtro biológico Corpo Receptor Leito de Secagem
Figura 3 - Fluxograma ETE Ouro Verde de Foz do Iguaçu.
Nesta estação, o esgoto bruto passa pelas unidades de gradeamento e
desarenação, depois pela caixa de distribuição, de onde segue para os
reatores anaeróbios. O lodo retirado dos reatores é então encaminhado aos
leitos de secagem, onde, por processos de infiltração e evaporação, o resíduo
é desidratado.
8
2.3 CARACTERIZAÇÃO DO REATOR ANAERÓBIO DE LODO FLUIDIZADO (RALF)
O Reator Anaeróbio de Lodo Fluidizado (RALF), mostrado na Figura 4,
é um sistema de tratamento que apresenta eficiência média de 70% e tem
baixo custo de implantação e operação (SANEPAR, 1997).
Figura 4 - Esquema de funcionamento de um RALF.
Fonte: AZEVEDO NETTO & BOTELHO (1991).
O RALF é uma unidade de tratamento que possui, em sua parte
inferior, uma câmara de reação na qual se desenvolve um manto de lodo com
alta concentração de microorganismos anaeróbios, que é atravessado pelo
esgoto, em fluxo ascendente, quando a matéria orgânica é, em boa parte,
utilizada por esses microorganismos, produzindo gás (CO2 e CH4) e um pouco
9
de novos microorganismos, resultando em uma mistura de sólidos (SS), líquido
e gás, que sobe pelo reator para a parte superior do RALF, onde encontra a
zona de decantação, separada da câmara de reação e também a câmara de
gás, logo acima da câmara de reação (ALEM, 2001).
O relatório da área operacional das ETES de Curitiba relata que, na
entrada da câmara de decantação existe um separador de gases, impedindo
que eles sejam encaminhados para a câmara de gás (SANEPAR, 2002).
Na câmara de decantação os SS se separam do líquido e sedimentam
até encontrarem as paredes da câmara, que têm inclinação superior a 50º
(ALEM & KATO, 1999), por onde descem para retornar à câmara de reação.
Os gases que são removidos pela superfície da unidade, bem como o lodo que
é produzido pela retenção de sólidos do esgoto e pelo crescimento biológico
são removidos da unidade a partir do manto de lodo da câmara de reação.
Esses sistemas vêm demonstrando grande aplicabilidade com
eficiência de remoção de DBO na faixa de 55% a 75%, resultando em um
efluente com DBO na faixa mais usual de 60 a 120 mg/l (ALEM, 2001).
É necessário mencionar que, para um mesmo efluente, o processo
anaeróbio gera um volume de lodo 20% menor do que o processo aeróbio
(CAMPOS, 1994). Além disso, conforme o tipo de tratamento empregado,
diversos tipos de lodo são produzidos, em diferentes intervalos de tempo.
Os problemas operacionais relacionados à rede coletora normalmente
estão associados à variação na vazão, podendo o sistema operar acima de sua
capacidade, dispensando etapa posterior de estabilização, uma vez que o lodo
sai do sistema em boas condições de estabilidade (SANEPAR, 2002).
2.4 SISTEMA DE SECAGEM
Os leitos de secagem desidratam e secam o lodo combinando
processos de percolação e evaporação natural do excesso de água. O produto
final removido dos leitos apresenta teor de sólido de 40 a 70%, variando em
função do clima e período de secagem. Os leitos constituem excelente opção
10
para desidratação do lodo em condições de clima favorável. A condição de uso
é que o resíduo seja bem estabilizado, pois só assim será facilmente drenável
e não apresentará problemas de odores.
2.5 CALEAGEM
Caleagem é um método de estabilização e desinfecção química e
térmica por meio da adição e mistura de cal ao lodo a altas dosagens, para
alcalinização brusca do meio, elevando o pH a níveis ligeiramente superiores a
12 por algumas horas após o processo, o que inativa ou destrói a maior parte
dos patógenos presentes no lodo, com aumento da temperatura em função das
reações químicas a cerca de 60ºC durante o choque alcalino.
O método concorre também para a desidratação do lodo e é tido como
alternativa simples e de custo relativamente baixo, além de atuar na
estabilização química do lodo reduzindo muito o problema de odor. O processo
aumenta a porosidade do produto final e o efeito residual da cal no solo é
benéfico atuando como condicionador e elevando seu pH. O lodo de esgoto
pode ser utilizado na agricultura depois de ser tratado com cal a uma proporção
de 50% do valor da massa seca do resíduo (ANDREOLI & PEGORINI, 2000).
Uma alternativa tecnológica é a realização do processo de calagem do
lodo ainda dentro dos leitos de secagem durante o processo de desidratação.
Se os aspectos de engenharia dos leitos não se mostrarem proibitivos, a
possibilidade é promissora como prática corrente em um sistema de gestão.
A calagem aumenta o teor de sólidos de lodos pastosos de 15% para
25 a 35%. No âmbito de projetos de pesquisa, alguns resultados preliminares
podem apontar a eficiência do método, em condições de bancada, na
eliminação de patógenos. A calagem não causa alterações relevantes na
composição química do lodo, à exceção do notável incremento de Ca e Mg, em
função do material de origem ser rico nos elementos, no caso de uso da cal
dolomítica. Os aumentos médios nos teores de Ca e Mg são da ordem de 6,45
a 11,2 vezes o teor inicial, respectivamente.
11
No Brasil a calagem representa uma alternativa de solução
interessante. Observando-se os resultados de caracterização sanitária, após
calagem e compostagem, em estudos realizados pelo Programa Interdisciplinar
para Reciclagem Agrícola de Lodo de Esgoto da SANEPAR constata-se a
redução dos teores destes agentes nos lodos, com níveis de redução da ordem
de 99,9% em relação ao teor original de cada patógeno testado. Os resultados
demonstram a eficiência da calagem na remoção dos indicadores e mostram
que os coliformes fecais têm maior resistência ao tratamento por calagem
(SANEPAR, 2002).
Experimentos mais recentes realizados no Paraná demonstraram que o
percentual de viabilidade dos ovos de helmintos encontrados no início da
experiência, foi de 40% e chegou a 0% em 60 dias. Aos 90 dias confirmou-se o
resultado anterior, ou seja, 100% de redução da viabilidade dos ovos
(SANEPAR, 2002).
A retirada do lodo dos leitos de secagem é feita manualmente. Há três
formas de se proceder a mistura na calagem: mistura manual, mistura com o
uso de betoneira e com misturador-moedor.
2.6 LODO DE ESGOTO
Lodo de esgoto (LE) é uma denominação genérica utilizada para
caracterizar o resíduo sólido gerado pelos sistemas de tratamento de águas
residuárias (SANEPAR, 1997). Trata-se de material heterogêneo, cuja
composição depende do tipo de tratamento empregado para a purificação do
esgoto e das características das fontes geradoras.
O lodo é o principal subproduto extraído das estações depuradoras
(outros são areia e lixo), apresentando-se na forma de um barro putrescível
constituído de 98% de água (SEWAGE, 1989).
Dos sólidos contidos no lodo, 70 a 80% se constituem em matérias
orgânicas, incluindo óleos e graxas (SEWAGE, 1989), consideradas um valioso
fertilizante orgânico, por conter nitrogênio, fósforo, pequenas quantidades de
12
potássio e elementos traços, os quais melhoram a estrutura e a fertilidade do
solo (ANGLIAN, 1991).
O LE não deve ser considerado como um simples resíduo, porquanto
suas características físico-químicas o tornam um excelente condicionador do
solo. Assim, o LE passa a ser entendido como biossólido, ou seja, como o lodo
resultante do tratamento biológico dos esgotos, condicionado de modo a
permitir o seu manuseio de forma segura.
2.7 UTILIZAÇÃO INTERNACIONAL DO LODO DE ESGOTO
Os governos de diversos países enfrentam grandes dilemas políticos
para o descarte do lodo de esgoto em áreas rurais que podem equilibrar
adequadamente o problema da poluição com os benefícios de nutrientes
adicionais e materiais orgânicos. Governantes de muitos países reconhecem
explicitamente as ameaças ao solo, ao ar e à água por metais pesados e
outros contaminadores presentes no lodo de esgoto. Muitos procuram conter
os riscos regulando a disposição do logo de esgoto, impondo limites ao
conteúdo de contaminadores no lodo, considerando o propósito de uso do lodo,
limitando seu volume de uso, regulando a freqüência de sua aplicação em
solos agrícolas, estabelecendo limites máximos de sua aplicação e estudando
seus contaminadores.
Na Europa e na América do Norte grandes quantidades de lodo de
esgoto são descartadas em terras agrícolas, que são avaliadas como uma
fonte de nutrientes e um condicionador de solo, tendo o cádmio como principal
fator limitante ao seu uso.
Os Países Baixos têm grande preocupação com relação ao cádmio no
meio ambiente e adotaram os seguintes princípios básicos, ao considerarem os
usos do lodo de esgoto, quais sejam: a inserção do cádmio em terras aráveis
(como fertilizantes e no lodo) deve estar equilibrada com relação à colheita e
ao desmatamento e o nível do cádmio em sedimentos recém formados não
deve exceder aos mesmos limites que são estabelecidos para o solo.
13
A maioria das províncias canadenses tem diretrizes limitando o
conteúdo de cádmio do lodo de esgoto utilizado para aplicações agrícolas.
Pesquisa extensa realizada nos EUA, onde um considerável
monitoramento de cádmio no solo é efetuado regularmente, demonstra que a
aplicação do lodo de esgoto pode aumentar o conteúdo de materiais orgânicos
no solo. (ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, 1995) Sob as diretrizes
da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (USEPA), se o lodo é
pasteurizado e estabilizado e tem concentrações de cádmio abaixo de 39 mg
de Cd/kg, ele poderá ser utilizado para fins gerais com relação à terra.
A Austrália ainda não possui padrões nacionais de regulamentação em
relação à utilização e disposição do lodo de esgoto na agricultura, emprestando
de outros países normas para sua utilização. Atualmente o país está em
processo de criação de normas nesse sentido, buscando métodos eficazes
para a estabilização e utilização segura do lodo de esgoto.
2.8 A UTILIZAÇÃO DO LODO DE ESGOTO NO BRASIL
No Brasil, não existe uma lei federal sobre a disposição final do resíduo
LE no solo. O uso inadequado pode provocar sérios impactos ambientais,
como a contaminação do solo e de recursos hídricos e a produção de
alimentos contaminados por patógenos. Sem uma lei federal específica, o
IBAMA e outros órgãos responsáveis pelo controle da poluição têm dificuldade
na fiscalização da aplicação do lodo de esgoto, ficando impossibilitados de
desenvolverem um monitoramento preciso de um possível impacto ambiental.
Este monitoramento realiza-se, no Brasil, com base em leis e normas estaduais
e em normas da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos, a
USEPA.
No estado de São Paulo, a Companhia de Tecnologia de Saneamento
Ambiental (CETESB), órgão vinculado à Secretaria do Meio Ambiente,
estabeleceu, em 1999, normas provisórias estaduais (NT P4.230)
14
regulamentando o uso agrícola de lodos resultantes de tratamentos biológicos,
incluindo o lodo de esgoto (biossólido).
Os limites indicados nesta norma são os mesmos adotados pela
USEPA, nos EUA. Entretanto, as condições brasileiras são diferentes, o que
pode resultar em erros na norma regulamentadora.
No Estado do Paraná, a Companhia de Saneamento do Paraná
(SANEPAR) elaborou um Manual Técnico, visando orientar os usuários de
biossólidos, os operadores de estações de tratamento e os tomadores de
decisão sobre os procedimentos de produção do lodo (SANEPAR, 1997).
A Companhia de Saneamento Ambiental do Distrito Federal (CAESB)
fazia a distribuição do lodo de esgoto, mediante a garantia de que os usuários
do resíduo respeitariam as normas sugeridas pela USEPA, pela NT P4.230.
2.9 O LODO DO ESGOTO NO ESTADO DO PARANÁ
Em 22 de janeiro de 1999, o Paraná promulgou a Lei nº 12.493,
estabelecendo os princípios e normas referentes à geração, acondicionamento,
armazenamento, coleta, transporte e destinação final dos resíduos sólidos do
estado, visando ao controle da poluição. Essa lei determina que os resíduos
sejam tratados pela fonte geradora e enquadrados em termos definidos pela
Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e pelo Instituto Ambiental
do Paraná (IAP). A lei proíbe o lançamento do lodo de esgoto in natura e a céu
aberto, a queima a céu aberto e o lançamento em corpos d’água, terrenos
baldios, redes públicas, poços, redes de drenagem pluvial, redes de esgotos e
redes de eletricidade e de telefonia.
A partir de 1993 iniciaram-se os estudos de caracterização do LE, para
viabilizar a sua utilização na agricultura. Com o objetivo de gerar tecnologias e
critérios seguros para o uso do LE como fertilizante, a SANEPAR desenvolveu
um amplo programa multidisciplinar de pesquisa, no qual várias instituições
foram envolvidas, entre elas: a Universidade Federal do Paraná, a
Universidade Estadual de Londrina, o Instituto Agronômico do Paraná, o
15
Instituto Ambiental do Paraná e a Empresa Brasileira de Pesquisa
Agropecuária (SANEPAR, 1997). Segundo a SANEPAR (1997), no estado do
Paraná são produzidos basicamente dois tipos de LE: o lodo anaeróbico e o
aeróbio.
Em 20 de maio de 2008, foi inaugurada a unidade piloto de energia
renovável da SANEPAR, na ETE Ouro Verde. Nesta ETE, o biogás gerado no
tratamento doméstico de mais de 17.550 pessoas é convertido em energia
elétrica utilizada no próprio sistema de tratamento (WEBER, 2008).
2.10 O LODO DO ESGOTO EM FOZ DO IGUAÇU
A produção atual de lodo no município de Foz do Iguaçu se concentra
nas estações: ETE Europa, ETE Ouro Verde, ETE Beira Rio, ETE Jupira e ETE
Iate Clube. O processo de tratamento empregado na ETE Ouro Verde é o
sistema anaeróbio realizado em reatores do tipo RALF e objeto deste estudo.
2.11 CONDICIONAMENTO E ESTABILIZAÇÃO DE SOLO
De acordo com NOGAMI & VILLIBOR (1995), o solo é um material
natural não consolidado, isto é, constituído por grãos separáveis por processos
mecânicos e hidráulicos relativamente suaves. O uso de aditivos químicos em
solos destinados à construção civil e agrícola tem como objetivo melhorar suas
características mecânicas e seu comportamento sob a ação da água.
A prática da estabilização de solos é bastante antiga, havendo
referências na literatura de que ela seja milenar e que tenha sido utilizada
como recurso técnico na construção civil, ainda que em condições primitivas
(GUIMARÃES, 1980; NÓBREGA, 1985). Sob o ponto de vista da engenharia
de construções rurais, os solos podem desempenhar várias funções, ora como
16
bases de sustentação das obras (fundações), ora como materiais de
construção para diferentes aplicações (pavimentos, barragens, aterros, tijolos,
blocos, entre outros). Independentemente do uso, os solos devem apresentar
certas propriedades físicas e mecânicas relacionadas à estabilidade
volumétrica, resistência e durabilidade. Os solos argilosos, em geral, não
apresentam essas propriedades, sendo uma das alternativas promover sua
estabilização.
O termo estabilização do solo corresponde a qualquer processo,
natural ou artificial, pelo qual um solo se torna mais resistente à deformação e
ao deslocamento do que o solo original. Tais processos consistem em
modificar as características do sistema solo-água-ar com a finalidade de se
obter propriedades de longa duração compatíveis com uma aplicação particular
(HOUBEN & GUILLAUD, 1994).
Dentre os inúmeros métodos de estabilização de solos, para fins
construtivos, o que tem sido identificado como mais prático e eficiente é o da
estabilização química. De acordo com FANG (2008), esse método se refere
aos que, tanto as interações químicas quanto as físico-químicas e físicas,
podem ocorrer no processo de estabilização. A estabilização química inclui,
também, os métodos em que são adicionados compostos ao solo com o
objetivo de estabilizá-lo. Podem ser citadas, dentre as técnicas de
estabilização, a do solo-cimento, a do solo-cal, a do solo-betume, a do
solo-resina, a estabilização com cinzas volantes (fly ash) e escórias de alto
forno (blast furnace slag), a estabilização com a utilização de sais (cloretos),
ácidos (ácido fosfórico), lignina, silicatos de sódio (water glass), aluminatos de
cálcio, sulfatos de potássio, óxidos de ferro, cinzas pozolânicas de turfas e
restos de atividade agrícola como, por exemplo, palha de arroz e casca de
amendoim, entre outros.
17
2.12 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DAS AMOSTRAS
2.12.1 Massa específica
A massa específica corresponde à relação entre a massa e o volume
de determinado corpo e é medida em kN.m-³. A densidade de um corpo é a
relação entre a massa específica do corpo e a da água nas condições do
ensaio (é adimensional).
Os solos são sistemas trifásicos: ar, água e sólidos. A massa
específica aparente se refere ao sistema completo. Quando este material é
seco, obtém-se a massa específica aparente seca. O termo massa específica
real se refere ao sistema sem água ou ar e corresponde à massa específica do
grão.
2.12.2 Densidade aparente
Define-se densidade aparente do solo como a razão entre a massa da
parte sólida de um dado volume aparente do solo (volume ocupado pelas
partículas mais o volume ocupado pelos poros) e a massa de igual volume de
água. A densidade aparente depende da porosidade do solo e varia também
com a textura e o teor do solo em matéria orgânica.
A densidade aparente do composto deste trabalho foi realizada
adaptando-se o método do anel volumétrico (EMBRAPA, 1997) que determina
a densidade aparente de solos indeformados utilizando um anel de aço
(Kopecky) de bordas cortantes de volume conhecido. Este método não é
recomendado para solos argilosos, mas a finalidade do ensaio neste trabalho
foi a de se determinar a densidade aparente de composto solto (TFSE).
18
2.12.3 Granulometria
A parte sólida dos solos é composta, de uma forma geral, por um
grande número de partículas que possuem diferentes dimensões. A
granulometria ou análise granulométrica dos solos é o processo que visa
definir, para determinadas faixas pré-estabelecidas de tamanho de grãos, a
percentagem em massa que cada fração possui em relação à massa total da
amostra em análise.
A análise granulométrica pode ser realizada por peneiramento, quando
se têm solos granulares como as areias e os pedregulhos; por sedimentação,
no caso de solos argilosos; ou, ainda, pela combinação de ambos os
processos. Com a determinação da densidade de partículas dos compostos
pelo método de análise por sedimentação (NBR 7181, ABNT, 1984b) se
estabelece a relação entre o diâmetro da partícula e sua velocidade de
sedimentação em um meio líquido de viscosidade e peso específico conhecido
(VARGAS, 1977).
2.12.4 Desempenho Mecânico dos Compostos
2.12.4.1Índice de compactação
O índice de compactação é determinado lançando-se sobre o solo
natural existente, geralmente em camadas sucessivas, um solo com uma
granulometria adequada; em seguida, modifica-se sua umidade mediante
dessecação ou adição de água e se lhe transmite energia de compactação pela
aplicação de golpes ou pressão. Para isso, utilizam-se diversos tipos de
máquinas, como, por exemplo, rolos lisos, pneumáticos, pé de carneiro,
vibratórios, entre outros, em função do tipo de solo e, muitas vezes, de sua
acessibilidade.
19
Com os ensaios obtêm-se as curvas de compactação para se
determinar os parâmetros ótimos da compactação. A umidade que se busca,
define-se como umidade ótima, e é por meio dela que se consegue a máxima
densidade seca, para a energia de compactação dada. Igualmente se define
como densidade seca máxima aquela que se obtém para a umidade ótima. É
comprovado que, à medida que se aumenta a umidade compacta-se o solo, a
densidade seca vai aumentando até chegar a um ponto de máximo, cuja
umidade é ótima. A partir deste ponto, qualquer aumento de umidade não
supõe maior densidade seca, ocorrendo, ao contrário, uma diminuição desta.
(VARGAS, 1977)
2.12.4.2Índice de retração
O índice de retração é determinado pela adaptação do antigo teste da
caixa (PITTA, 1983). O composto passante pela peneira de 4 mm é umedecido
até alcançar plasticidade suficiente para ser trabalhado no enchimento da
caixa. As dimensões da caixa de retração utilizada foram 3 x 15 x 45 cm.
2.12.4.3Resistência ao cisalhamento na compressão triaxial
Segundo DAS (2007), a resistência ao cisalhamento de uma massa de
solo é a resistência interna por área unitária que a massa de solo pode oferecer
para resistir às rupturas e aos deslizamentos, ao longo de qualquer plano no
seu interior. A compreensão da natureza da resistência ao cisalhamento
possibilitará a análise dos problemas de estabilidade do solo, tais como:
capacidade de carga, estabilidade de taludes e pressão lateral em estruturas
de contenção de terra.
Ainda de acordo com o mesmo autor, Christian Otto Mohr apresentou a
teoria para ruptura em materiais, afirmando que um material se rompe devido à
combinação da tensão normal e de cisalhamento e não da máxima tensão
normal ou de cisalhamento isoladas. Portanto, a relação funcional entre a
20
tensão normal e a tensão de cisalhamento em um plano de ruptura pode ser
expressa pela equação (1):
τf = f(σ) (1)
A envoltória de ruptura definida pela equação 1 é uma linha curva. Para
a maioria dos problemas de mecânica dos solos, é suficiente aproximar a
tensão de cisalhamento no plano de ruptura para uma função linear da tensão
normal (Coulomb); tal função pode ser escrita pela equação 2:
τf = c+ σ tg φ (2)
Em que:
c = coesão;
φ = ângulo de atrito interno;
σ = tensão normal no plano de ruptura;
τf = resistência ao cisalhamento.
Esta equação é denominada de critério de ruptura de Mohr-Coulomb.
Em um solo saturado, a tensão normal total em um ponto é a soma da
tensão efetiva (σ’) e a poropressão (u) ou (3):
σ = σ’ + u (3)
A tensão efetiva σ’ é suportada pelos sólidos do solo. O critério de
ruptura de Mohr-Coulomb, expresso em termos de pressão efetiva, é definido
pela equação 4:
τf = c’+ σ’ . tg φ’ (4)
em que c’ equivale à coesão e φ’ ao ângulo de atrito com base na tensão
efetiva.
As equações acima descritas são expressões da resistência ao
cisalhamento, com base na tensão total e na tensão efetiva. O valor de c’ para
21
areia e silte inorgânico é 0; para argilas normalmente adensadas, c’ pode ser
aproximadamente 0. Argilas sobreadensadas têm valores de c’ maiores que 0.
O ângulo de atrito φ’ é, às vezes, chamado de ângulo de atrito drenado. Os
valores típicos de φ’ para alguns solos granulares são dados pela Tabela 1.
Tabela 1 - Valores típicos do ângulo de atrito drenado para areias e siltes
Tipos de solo φ’ (em graus)Areia: grãos arredondadosFofa 27-30Média 30-35Compacta 35-38Areia: grãos angularesFofa 30-35Média 35-40Compacta 40-45Pedregulho com alguma areia 34-48Silte 26-35
Fonte: DAS (2007).
O ensaio de compressão foi utilizado para determinar esta combinação
pela aplicação de um carregamento axial sobre um corpo-de-prova cilíndrico do
solo.
22
3 MATERIAL E MÉTODOS
3.1 CARACTERIZAÇÃO DO LOCAL DO EXPERIMENTO
O experimento foi conduzido no Laboratório de Geotecnia da
Universidade Estadual do Oeste do Paraná (UNIOESTE), campus de Cascavel
e no Laboratório de Concreto e Mecânica dos Solos da União Dinâmica de
Faculdades Cataratas (UDC), na cidade de Foz do Iguaçu, no período de
fevereiro de 2007 a maio de 2008.
3.2 CARACTERIZAÇÃO DO RESÍDUO (LODO DE ESGOTO)
3.2.1 Caracterização do lodo de esgoto caleado
O lodo de esgoto é um resíduo sólido gerado durante o tratamento de
águas residuárias nas estações de tratamento de esgotos. Após o tratamento a
matéria sólida é separada da água residuária e seca, obtendo-se o lodo de
esgoto in natura.
O tratamento e a disposição final do lodo de esgoto constituem um
problema complexo, face ao grande volume gerado, à dificuldade em se
encontrar locais adequados e seguros para seu armazenamento, aos impactos
ambientais, aos custos e às características de operação e processo. Portanto,
qualquer decisão sobre o destino final mais apropriado para este resíduo
depende de sua caracterização, avaliação e minimização dos riscos de
contaminação ao meio ambiente e ao homem (BERTON, 2000). É por essa
23
razão que, após a secagem, esse material é triturado e misturado com cal
virgem, porquanto, de acordo com ANDREOLI, HOPPEN & MÄDER NETTO,
(2001), sanitariamente é ideal que o lodo fique no mínimo por 72 horas com o
pH superior a 12. O produto da mistura do lodo de esgoto com a cal é
denominado lodo de esgoto caleado.
Durante o estudo do lodo de esgoto caleado, foi observado, no
histórico de ensaios realizados pela SANEPAR de Foz do Iguaçu, que o teor de
matéria orgânica alcançava em média, aproximadamente, 26%, sendo que, no
último lote do ano de 2006, a matéria orgânica alcançou, aproximadamente,
32%. Na Tabela 2 são apresentadas as características do lodo utilizado.
Tabela 2 - Características do lodo de esgoto caleado em estudos realizados a pedido da SANEPAR, com amostras coletadas no ano 2007 (limites permitidos estabelecidos pela Resolução CONAMA nº 380/2006)
Determinação Extrator/Digestor Técnica analítica Resultado Unidade(MS) Matéria Seca Sem Extrator Gravimetria 76.20 %(pH) Potencial hidrogeniônico Sem Extrator Potenciometria 12,14(RM) Resíduo Mineral Sem Extrator Calcinação 66,90 %(N) Nitrogênio Dumas Combustão 1,61 %(P2O5) – Pentóxido de Fósforo Total Ácido Clorídrico Colorimetria 0,78 %(K2O) Óxido de Potássio Ácido Nítrico-Clorídrico Espectrofotometria de A.A 611,92 mg/kg(CaO) Óxido de Cálcio Ácido Nítrico-Clorídrico Espectrofotometria de A.A 16,83 %(MgO) Óxido de Magnésio Ácido Nítrico-Clorídrico Espectrofotometria de A.A 0,16 %(Carb) Carbono Sem Extrator Calcinação 18,75 %(C/N) Relação C/N Sem Extrator Cálculo 11,67
Parâmetros Unidades L.D. L.Q. BRANCO 02130CS001Cádmio (mg/kg) 0,25 0,50 N.D. 0,46Chumbo (mg/kg) 0,10 0,50 N.D. 30,69Cobre (mg/kg) 0,10 0,50 N.D. 165,93Cromo (mg/kg) 0,25 0,50 N.D. 31,39Mercúrio (mg/kg) 0,04 0,10 N.D. 0,66Níquel (mg/kg) 0,25 0,50 N.D. 11,57Zinco (mg/kg) 0,25 0,50 N.D. 72,12Dados das AmostrasFator de Diluição 1 1Umidade (%) N.A. 17Observações:L.D. – Limite de Detecção do método. N.D. – Não detectado Acima do Limite de Detecção.L.Q. – Limite de Quantificação do método. N.A. – Não Aplicável.
Fonte: Fundação ABC para Assistência e Divulgação Técnica Agropecuária (2007) e Laboratório Analytical Solutions (2007).1
1 Laudo emitido pelo Laboratório Analytical Solutions por solicitação da SANEPAR.
24
Com a preocupação de se manter um baixo teor de matéria orgânica
no solo, foram realizados ensaios de qualificação do lodo de esgoto caleado. O
ensaio foi realizado de acordo com o que estabelece a NBR 13600
(ABNT, 1996) para determinar o teor de matéria orgânica através da diferença
de massa encontrada entre a amostra de solo seca e a amostra de solo seca,
após queima a 440 ºC por um período de 24 horas. Pela NBR 13600
determina-se o teor de matéria orgânica em solos. Como a finalidade do lodo
de esgoto é o uso em solos para sua estabilização, pode-se considerar o lodo
de esgoto caleado nesse estudo como parte constituinte do solo. É possível,
portanto, utilizar a NBR 13600 como fundamento para a determinação do teor
de matéria orgânica no lodo de esgoto caleado como parte constituinte do solo.
O ensaio realizado como qualificação do lodo de esgoto caleado
demonstrou que o resíduo não tinha condições de uso para estabilização de
solos, porque o teor de matéria orgânica alcançou, em média, 34,3%, conforme
se verifica na Tabela 3.
Tabela 3 - Teor de matéria orgânica em lodo caleado, de acordo com o ensaio realizado em laboratório, conforme a NBR 13600 (ABNT, 1996)
Teor de matéria orgânica em lodo caleado
AmostraA (g)
(valores antes da estufa)
B (g)(valores após 24 horas de estufa)
M.O. (%)(matéria orgânica)
M.O.médio
Solo 1 42,83 39,22 8,42 42,89 40,85 4,8
6,6%
Lodo de esgoto caleado a 40,9 26,86 34,3b 35,87 23,57 34,3
34,3%
Após o ensaio de qualificação foi determinado, a partir dos resultados,
que o lodo de esgoto caleado liberaria ao solo um teor de matéria orgânica
muito elevado para a finalidade deste trabalho, sendo necessária a redução
desse teor. Como procedimento de redução do teor de matéria orgânica, foi
escolhida a calcinação do lodo de esgoto caleado.
Os principais motivos da escolha da calcinação foram: a grande
quantidade de olarias na Região Oeste do Paraná, a facilidade de acesso aos
proprietários das olarias, o baixo custo da calcinação, a confiabilidade do
processo na remoção da matéria orgânica e a simplicidade na execução de tal
25
processo. A calcinação foi atingida por meio da queima do lodo de esgoto
caleado em fornos de olaria com temperatura média de queima em torno de
750ºC, por um período mínimo de 24 horas, conforme demonstra a Figura 5.
Figura 5 - Gráfico da queima do lodo de esgoto (processo de calcinação).
A espessura máxima de lodo de esgoto caleado dentro do recipiente de
queima foi determinada, empiricamente, em 15 cm, alcançando, assim, uma
queima uniforme em toda a amostra. Após o processo de calcinação, obteve-se
um produto de baixo teor de matéria orgânica que foi denominado como lodo
de esgoto calcinado, representado pelo processo esquematicamente mostrado
na Figura 6.
Figura 6 - Esquema do processo de produção do lodo de esgoto calcinado.
26
Por apresentar um baixo teor de matéria orgânica (4,37%), o lodo de
esgoto calcinado foi escolhido como aditivo para estabilização de solos neste
trabalho.
3.2.2 Caracterização do lodo de esgoto calcinado
Segundo os laudos técnicos da empresa Solução Ambiental Análise e
Consultoria Limitada, da cidade de São Carlos, no estado de São Paulo, é
possível observar, nas Tabelas 4 e 5, tanto os parâmetros agronômicos quanto
os parâmetros de metais pesados.
Tabela 4 - Laudo técnico de parâmetros agronômicos
Parâmetro Analítico: Potencial AgronômicoParâmetro Analítico
Resultado Analítico Unidade Método Analítico
Ca total 20,15 g CaO/100 g Sólidos Totais SM3030HSM 3500 Ca B/C
Mg 0,70 q MgO/100 g ST SM 3500K 0,05 g K2O /100 g Sólidos Totais SM3030H
SM 3500P total 0,04 g P2O5 / 100 g Sólidos Totais SM 3030H
SM 4500PC total 0,55 g C /100 g Sólidos Totais SM 5220N total 0,06 g N / 100 g Sólidos Totais SM 4500C/N 9,17 Adimensional SM 5220
SM 4500PH 12,45 Adimensional SM 4500Matéria Orgânica 4,37 g MO / 100 g Sólidos Totais SM 2540GSoados Totais 99,46 g/100 g SM2540G
Fonte: Solução Ambiental Análise e Consultoria Ltda. (2007).
27
Tabela 5 - Laudo técnico de parâmetros de metais pesados
Parâmetro Analítico: Metais Pesados
Parâmetro Analítico
Valor Observado
Valor Máximo Permitido
(VMP)Limite de Detecção Unidade Método Analítico
Cd < LD 20,0 0,0100 mg/kg de Sólidos Totais
US-EPA:SW 846 M. 3050B
Cu 255,0 1000,0 0,0160 mg/kg de Sólidos Totais
US-EPA:SW 846 M. 3050B
Cr 63,0 1000,0 0,0750 mg/kg de Sólidos Totais
US-EPA:SW 846 M. 3050B
Ni 37,0 300,0 0,0089 mg/kg de Sólidos Totais
US-EPA:SW 846 M. 3050B
Pb 96,0 750,0 0,0397 mg/kg de Sólidos Totais
US-EPA:SW 846 M. 3050B
Hg < LO 16,0 1,47 x 10-5 mg/kg de Sólidos Totais
US-EPA:SW 846 M. 3050B
Zn 186,0 2500,0 0,0017 mg/kg de Sólidos Totais
US-EPA:SW 846 M. 3050B
Fonte: Solução Ambiental e Consultoria Ltda. (2007).2
3.3 CARACTERIZAÇÃO DO SOLO
O solo utilizado na pesquisa é classificado como Latossolo Vermelho
Distroférrico típico, com textura argilosa (EMBRAPA, 1997), de larga ocorrência
na Região Oeste do Paraná.
A amostra do solo foi coletada de um sítio com solo virgem, localizado
no bairro do Morumbi (25º31’S 54º32’W elev. 232 m), zona leste da cidade de
Foz do Iguaçu, a uma profundidade de 40 cm da superfície.
Conforme a análise granulométrica, o solo da área do experimento
possui 21% de areia, 19% de silte e 60% de argila, considerado um solo com
textura argilosa, portanto.
2 Laudo emitido pelo Laboratório Solução Ambiental e Consultoria Ltda. por solicitação da
SANEPAR.
28
3.4 COLETA DAS AMOSTRAS UTILIZADAS
3.4.1 Coleta das amostras de solo
A coleta das amostras deformadas foi realizada com o uso de pá,
picareta e enxada, tomando-se em sacos plásticos porções de 30 kg de solo.
As amostras foram encaminhadas ao laboratório, onde foram
colocadas para secar à sombra, para então serem destorroadas e passadas na
peneira nº. 10 (ABNT), com abertura de malha 2,00 mm, obtendo-se terra fina
seca ao ar (TFSA). As amostras de solo foram coletadas de acordo com o
Manual de Métodos de Análise de Solo da EMBRAPA (1997) e preparadas
conforme a NBR 6457 (ABNT, 1986a).
3.4.2 Coleta das amostras de lodo de esgoto caleado
O lodo foi coletado nos leitos de secagem dos tanques da Estação de
Tratamento de Esgoto Ouro Verde, da cidade de Foz do Iguaçu, com o auxílio
de pá, tomando-se o conteúdo em sacos plásticos. As amostras foram retiradas
aleatoriamente do topo, meio e base da pilha. Para a realização dos ensaios as
amostras foram recolhidas em conformidade com a NBR 10007 (ABNT,
2004b).
3.4.3 Dosagem dos compostos
O composto de lodo de esgoto e solo foi elaborado nas proporções de
0, 8, 17,5, 28,5 e 43%, em massa de lodo de esgoto seco/solo seco, definidas
para cobrir toda a faixa de impacto provocado pelo lodo de esgoto calcinado no
comportamento do solo. As porcentagens foram experimentais em razão do
29
ineditismo de tal compósito. As proporções a serem ensaiadas estão
relacionadas na Tabela 6.
Tabela 6 - Dosagem do compósito em massa (%)
Dosagem dos compostos em massa (%)Composto seco Lodo de esgoto calcinado Solo seco
T0 0% 100,0%T1 8% 92,0%T2 17,5% 82,5%T3 28,5% 74,5%T4 43,0% 57,0%T5 100,0% 0%
Os compostos T0 e T5 descritos na Tabela 6 são, respectivamente, o
solo testemunha e o lodo de esgoto calcinado para ensaio de caracterização.
A produção dos compostos foi feita individualmente, sendo a mistura
realizada nas devidas proporções para se obter a quantidade necessária para
cada ensaio, momentos antes de sua realização.
Os compostos foram ensaiados em de duas baterias: ensaios de
características físicas e ensaios de desempenho mecânico. Os ensaios de
características físicas foram: granulometria, massa específica e densidade
aparente. Os ensaios de desempenho mecânico foram: índice de
compactação, índice de retração e resistência ao cisalhamento na compressão
triaxial.
3.5 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DAS AMOSTRAS
3.5.1 Massa específica
O método de determinação da massa específica dos compostos seguiu
as instruções apresentadas na NBR 6508 (ABNT, 1984a), em que,
30
aproximadamente, 100 g de composto seco ao ar, destorroado e passante pela
peneira com abertura de 4,8 mm é hidratado por 12 horas. Depois de
hidratado, o composto foi dispersado e transferido para um picnômetro de
1000 mL, no qual o ar aderente às partículas foi retirado por vácuo e
banho-maria, e foi pesado o conjunto para determinação da massa específica.
3.5.2 Densidade aparente
Determinou-se a densidade, obtendo-se o volume de um anel metálico,
completado com o composto lançado a menos de 10 cm de altura e nivelado
com as bordas do anel. Após a determinação da massa do anel completo com
composto, subtraiu-se a massa do anel para se obter a massa de composto no
determinado volume já conhecido do anel. Calculou-se a densidade aparente
de composto fino solto seco em estufa pela equação 5:
3.5.3 Granulometria
A curva de distribuição granulométrica dos tamanhos das partículas do
composto foi obtida por análise granulométrica conjunta (tamização e
sedimentação com leituras densimétricas), conforme estabelecido na
NBR 7181 (ABNT, 1984b).
De acordo com CAPUTO (2006), as frações constituintes de solo
segundo a escala granulométrica brasileira da ABNT obedecem aos valores
mostrados na Tabela 7.
δap = Mcc - Manel (5)Vanel
31
Tabela 7 - Frações constituintes de solo segundo a escala granulométrica brasileira
Fração de solo Diâmetro do grão (mm)Pedregulho 76 a 4,8Areia 4,8 a 0,05Silte 0,05 a 0,002Argila < 0,002
Fonte: CAPUTO (2006).
3.6 DESEMPENHO MECÂNICO DOS COMPOSTOS
3.6.1 Índice de compactação
O ensaio para determinação do índice de compactação se resume ao
ensaio de Proctor, conforme mostrado na Figura 7, em que se utiliza a curva de
compactação e a umidade ótima para determinar a máxima densidade
aparente do composto. O ensaio de compactação Proctor foi realizado de
acordo com as normas estabelecidas pela NBR 7182 (ABNT, 1986b),
consistindo em compactar cada uma das amostras de solo em um cilindro
metálico de volume igual a 1000 cm³, em três camadas, cada uma com 25
golpes, com um peso de 2500 g precipitado a uma altura de 0,30 m. Após a
compactação procedeu-se ao arrasamento e foi registrada a massa de solo
para cálculo da densidade. Também foram retiradas três porções pequenas de
solo para determinação da umidade média, pela diferença do material úmido e
seco em estufa a 105º por 24 horas. Esse processo foi repetido para todas as
amostras, com teores de umidade entre 24 a 36%, formando, assim, pares de
valores de densidade e umidade com os quais se pode traçar a curva de
compactação, conforme a padronização do ensaio normal de compactação de
VARGAS (1977).
32
Figura 7 - Extração do corpo-de-prova do ensaio de Proctor.
3.6.2 Índice de retração
A caixa de retração, exibida na Figura 8, foi moldada com as paredes
untadas com óleo. Após a moldagem, a caixa foi posta à sombra para secagem
por 96 horas. Com o corpo-de-prova seco, mediram-se os espaços entre o
corpo-de-prova e as paredes da caixa, somando os dois lados e as aberturas
das fissuras.
33
Figura 8 - Foto ilustrativa do teste da caixa, utilizado para determinação do índice de retração.
As medidas foram realizadas em três pontos da seção transversal do
corpo-de-prova, obtendo-se a média. O índice de retração foi calculado
conforme a equação 6.
Ir =(Li – Lf) x 100 (6)
Li
3.6.3 Ensaio de compressão triaxial
O ensaio de compressão triaxial é feito utilizando-se corpos-de-prova
cilíndricos moldados a partir de determinadas amostras. A obtenção dos
corpos-de-prova é feita no ensaio denominado mini MCV (Moisture Condition
Value), é um dos ensaios empregados pela Metodologia MCT (Miniatura
Compactada Tropical), desenvolvida por Nogami e Villibor na década de 80
com base no método proposto por Parsons em 1976, sendo de uso específico
para solos compactados tropicais.
34
O teste de compactação, neste trabalho o ensaio de Proctor, é um dos
principais ensaios da Metodologia MCT, pois, a partir de seus parâmetros
básicos (teor de umidade ótima e massa específica aparente seca máxima)
moldam-se corpos-de-prova para determinação de outras propriedades
geotécnicas da Metodologia MCT. Nas Figuras 9, 10 e 11 estão ilustrados os
procedimentos para confecção dos corpos de prova e montagem do ensaio de
compressão triaxial.
Figura 9 - Ilustração do ensaio de compactação dos corpos-de-prova.
Fonte: FORTES (2008).
Figura 10 - Foto do mini MCV, aparelho utilizado para a moldagem dos corpos-de-prova de propriedade do DER (Departamento de Estradas e Rodagem).
35
Figura 11 - Esquema de um aparelho de compressão triaxial.
Fonte: SOUZA PINTO (2000).
O corpo-de-prova é colocado na base da câmara de confinamento,
com uma pedra porosa na sua base e outra no seu topo; em seguida, é
colocada uma membrana impermeável envolvendo a amostra, que é presa por
anéis de borracha, como mostrado na Figura 12.
Figura 12 - Imagem da preparação do corpo-de-prova com uma pedra porosa em cada extremidade, antes da colocação da célula triaxial.
Fonte: FORTES (2008).
36
O corpo-de-prova é conectado no topo e na base para permitir a
drenagem e depois conectado às buretas. Uma câmara de material resistente e
transparente é fixada e cheia com água (Figura 13), cuja função é aplicar a
tensão confinante (σ3) por meio do dispositivo para medição da pressão neutra
e da água destilada aerada vinda do reservatório.
Figura 13 - Célula de compressão triaxial de solo.
Durante o ensaio são aplicados carregamentos, medindo-se, em
intervalos de tempo, o acréscimo de tensão axial que está atuando e a
deformação vertical do corpo-de-prova. Esta deformação, dividida pela altura
inicial da amostra, fornece a deformação vertical específica.
A ruptura é obtida com σ1 e os círculos de Mohr são traçados com os
pares (σ1, σ3) obtidos no ensaio e, em seguida, a envoltória de Coulomb,
conforme mostrado na Figura 14.
37
Figura 14 - (a) Aplicação da tensão principal σ1 e da tensão de confinamento σ3; (b) corpo-de-prova rompido; (c) Círculo de Mohr e envoltória de Coulomb.
Fonte: CERNICA (1995).
A força normal que é aplicada ao corpo-de-prova pelo pistão axial,
dividida pela seção transversal do corpo-de-prova e somada a σ3 corresponde à
pressão axial σ1. A pressão neutra (poropressão) desenvolvida na água
intersticial do corpo-de-prova é medida utilizando-se um aparelho capaz de
medir pressões na água sem exigir variações de volume d’água intersticial da
amostra.
O ensaio triaxial pode ser realizado de três formas:
a) ensaio não adensado e não drenado (UU – unconsolidated
undrained) ou ensaio rápido (Q, de quick): este ensaio é recomendado quando
se deseja obter a coesão e o ângulo de atrito de, por exemplo, um talude logo
após a sua execução. Neste ensaio o corpo-de-prova é submetido à pressão
confinante (σ3) e depois ao carregamento axial, sem se permitir a drenagem da
água intersticial (sem conectar as buretas). O teor de umidade permanece
constante e, no caso da amostra estar saturada, não ocorre variação de
volume. Este ensaio demora de 1 a 2 horas;
b) ensaio adensado não drenado (CU – consolidated undrained) ou
ensaio rápido pré-adensado (R): este ensaio é o que melhor representa as
condições do solo para a análise da estabilidade de um aterro, certo tempo
após a sua construção ou da estabilidade de uma barragem em virtude de um
rebaixamento rápido do reservatório. Neste ensaio é aplicada a pressão
confinante (σ3) e deixa-se dissipar a pressão neutra correspondente,
38
adensando o corpo-de-prova com σ3 (conectam-se as buretas para o
pré-adensamento, demorando cerca de um dia para o adensamento). Na
seqüência aplica-se o carregamento axial σ1, espera-se estabilizar e se rompe
sem drenagem. Este ensaio fornece a resistência não drenada em função da
tensão de adensamento. Se as pressões neutras forem medidas, ter-se-á a
resistência em termos de tensões efetivas, sendo, por essa razão, bastante
utilizado, porque permite determinar a envoltória de resistência em termos de
tensão efetiva em aproximadamente dois dias;
c) ensaio adensado drenado (CD – consolidated drained), também
chamado de ensaio lento (S - slow), devido à condição de ser um ensaio muito
moroso, levando, no caso das argilas, aproximadamente duas semanas para
sua conclusão: Neste ensaio é permitida a drenagem do corpo-de-prova em
todas as fases, sendo que, muitas vezes, ele chega ao laboratório já
pré-adensado. Aplica-se a tensão confinante (σ3) e se espera que a amostra
adense, ou seja, que a pressão neutra (u) se dissipe. Aumenta-se, então, a
tensão axial, de maneira a expulsar a água sob pressão, ocorrendo a
dissipação total das pressões neutras durante todo o ensaio, ou seja,
mantendo-se as pressões nulas durante todo o experimento, de modo que as
pressões totais medidas sejam iguais às efetivas.
No trabalho em questão foi utilizado o método de ensaio adensado não
drenado (CU – consolidated undrained), nas condições abaixo descritas.
3.6.3.1 Estados críticos em mecânica dos solos
O comportamento tensão-deformação foi determinado a partir dos
parâmetros elásticos do solo, obtidos em ensaios triaxiais consolidados não
drenados.
Das leituras obtidas no ensaio de cada corpo-de-prova foram
elaboradas planilhas, utilizando-se o programa Microsoft Excel.
A tensão desvio q foi determinada por:
q = [(2,93686 LA ) + 0,928619] 100 (7)
At
39
Em que:
LA = refere-se à leitura no anel dinamométrico (mm);
At = área da seção transversal variável do corpo de prova (cm²);
A tensão axial (σ1) vem da adição da parcela anterior com a tensão
confinante (σ3), conforme equação (8):
σ1 = σ3 + q (8)
Para a determinação do coeficiente de Poisson (υ) foi obtido o valor da
deformação específica vertical (axial) do corpo de prova, pela equação (9):
εa = Δh / ho (9)
Em que:
Δh = variação total da altura do corpo de prova;
ho = altura do corpo de prova indeformado.
Do mesmo modo foi obtida a deformação específica transversal
(radial), do corpo de prova (εr) pela equação (10):
εr = ΔD / Do (10)
Com ΔD representando a variação do diâmetro do corpo de prova e Do
o diâmetro do corpo de prova indeformado.
Desse modo, calculou-se o Coeficiente de Poisson pela equação (11):
υ = εr / εa (11)
Conhecida a deformação específica vertical axial (εa) e os respectivos
valores de tensão desvio (q) foi traçado um gráfico de tensão versus
deformação do qual, por meio do valor da tangente à curva na região de
proporcionalidade, obteve-se o módulo de elasticidade longitudinal (E).
40
Pela tangente à curva tensão-deformação na região de
proporcionalidade obteve-se o módulo de elasticidade longitudinal.
3D: 3
p 321 σ+σ+σ=32p ra σ+σ= (12)
A tensão desvio q foi determinada por: tensões axiais: σ1, σ2 e σ3,
3D: [ ] 212
132
322
31 )()()(2
1q σ−σ+σ−σ+σ−σ= (13)
3Ax Conv.: raq σ−σ= (14)
Em que:
σa = tensão axial;
σr = tensão radial.
Obtiveram-se os invariantes de deformações pelas seguintes
equações:
3D: deformação volumétrica: 321vp ε+ε+ε=ε=ε (15)
deformação cisalhante: [ ] 212
212
132
32q )()()(32 ε−ε+ε−ε+ε−ε=ε
3Ax Conv.: rap 2ε+ε=ε (16)
)(32
raq ε−ε=ε
O Módulo de Elasticidade Transversal G foi determinado por:
)1(2EG
υ+= (17)
Em que:
tensão octaédrica p3Ax convencional
41
E = Módulo de elasticidade longitudinal;
υ = Coeficiente de Poisson.
O Módulo de Deformação Volumétrica é dado por
)21(3EK
υ−=
δδ
=
δ εδ ε
q
p
q
p
G3100K1
(18)
Em que a mudança de volume pδ ε está associada à variação de )(p pδ e a
mudança de forma qδ ε está associada à variação de )(q qδ
A Deformação Axial ( a1 ε=ε ), por sua vez, é obtida por
δ−=δ ε a (19)
e a Deformação Radial ( r23 ε=ε=ε ) por:
2rr
rδ+δ−
=δ ε (20)
O Ensaio CU (consolidated undrained), método utilizado neste trabalho,
conduz às seguintes equações:
Volume constante: V = constante 0V =δ 0VV of =− of VV = (21)
of VV = Vo= Volume inicial do corpo-de-prova
ooff HAHA ⋅=⋅ Vf= Volume final do corpo-de-prova
o2
of2
f HRHR ⋅π=⋅π
f
o2
o2f H
HRR ⋅= LVDTHH of −= (Linear Variable Differential Transformer)
LVDTHHRR
o
o2
o2f −
⋅= Ao= Área inicial da seção do corpo-de-prova
42
LVDTHHRR
o
o2
of −
⋅= Af= Área final da seção do corpo-de-prova
LVDTHHRR
o
oof −
= Ho= Altura inicial do corpo-de-prova
Hf= Altura final do corpo-de-prova
1RR
RRR
RdR
o
f
o
of
or −=−==ε Ro= Raio inicial do corpo-de-prova
1LVDTH
HRR
o
o
o
or −
−=ε Rf= Raio final do corpo-de-prova
(22)1
LVDTHH
o
or −
−=ε
43
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DOS COMPOSTOS
4.1.1 Massa específica dos sólidos
Conforme se verifica na Tabela 8, com a adição progressiva do lodo de
esgoto calcinado (LEC) às amostras de solo, ocorreu redução da massa
específica dos sólidos de cada composto do tratamento, em razão de a
densidade do lodo de esgoto ser menor do que a do solo.
Tabela 8 - Massa específica dos sólidos dos compostos
T0 T1 T2 T3 T4 T5Densidade (kN.m-³) 29,927 29,866 29,804 29,744 29,683 29,128Concentração (%) 0 0,081081 0,176471 0,290323 0,428571 1,0
Nos solos, o valor da densidade de partículas varia entre 23,0 e
29,0 kN.m-³. Seu valor médio, para efeitos de cálculo, é de 26,5 kN.m-³ (KIEHL,
1985), porque os constituintes minerais predominantes nos solos são o
quartzo, os feldspatos e os silicatos de alumínio coloidais, cujas densidades
reais estão em torno de 26,5 kN.m-³.
Conforme pode ser observado no gráfico da Figura 15, o aumento do
LEC nos compostos acarretou uma variação na densidade da partícula de
29,9 kN.m-³ para 29,6 kN.m-³, permanecendo, portanto, com valor superior à
densidade constante no Latossolo Roxo e também superior à variação normal
de solos argilosos, que está entre os 23,0 a 29,0 kN.m-³ (KIEHL, 1985).
44
Figura 15 - Leitura da densidade da partícula dos compostos.
4.1.2 Frações texturais dos compostos
Na Tabela 9 são mostradas as frações texturais dos compostos em
função dos tratamentos. O gráfico da Figura 16 demonstra que, no tratamento
T0 (solo testemunha), os compostos estão na proporção de 21% de areia, 19%
de silte e 60% de argila. Com a adição progressiva do LEC, aumentaram as
proporções de areia e silte e ocorreu a diminuição da porcentagem de argila,
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50Dosagem [%]
29.60
29.70
29.80
29.90
30.00
Den
sida
de d
e pa
rtícu
las
[kN
/m³]
Y = -0.558874 * X + 29.9157Coef of determination, R-squared = 0.986938
45
que, ao longo dos tratamentos, foi totalmente agregada, chegando a 0% nos
tratamentos T2, T3 e T4.
GUIMARÃES (2001) explica que o cálcio, principal componente da cal,
ataca quimicamente parte das argilas e até mesmo o próprio quartzo.
Tabela 9 - Tabela comparativa granulométrica
Tratamento Areia Silte ArgilaT0 21% 19% 60%T1 29% 34% 37%T2 36% 64% 0%T3 38% 62% 0%T4 26% 74% 0%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
T0 T1 T2 T3 T4
Areia
Silte
Argila
Figura 16 - Ilustração da tabela comparativa granulométrica.
4.1.3 Densidade aparente
Com a adição progressiva de LEC na amostra, o composto tem sua
densidade aparente proporcionalmente reduzida de 1 kN.m-³ no tratamento
T0 (testemunha) para 0,80 kN.m-³ no composto de tratamento T4.
46
Fica nítido que ocorreu uma redução da densidade aparente em função
da adição de LEC nos tratamentos, como demonstra a Figura 17. Há uma
tendência a se diminuir a densidade com adição do LEC, em função da
diminuição de massa do material na mesma unidade de volume, devido ao fato
do lodo possuir menor densidade do que o solo.
De acordo com os resultados apresentados por BOEIRA & SOUZA
(2007, p. 585), em experimentos realizados com lodo de esgoto misturado com
Latossolo entre os anos de 1999 e 2001, em Jaguariúna (SP),
[...] a densidade do solo [...] diminuiu significativamente com o aumento das doses [...] (de) lodo de esgoto. [...] a aplicação de compostos orgânicos freqüentemente aumenta o conteúdo de carbono do solo. O incremento deste conteúdo, geralmente, leva ao incremento da estabilidade de agregados, e da capacidade de retenção de água e, por outro lado, diminui a densidade do solo.
Figura 17 - Gráfico demonstrativo da densidade aparente dos compostos.
0 20 40 60 80 100Dose de lodo [%]
4
6
8
10
12
Den
sida
de a
pare
nte
[kN
.m-³
]
Y = -0.0539746 * X + 10.1758R² = 0.99478
47
4.1.4 Curvas granulométricas dos compostos
4.1.4.1 T0 (solo testemunha)
O solo puro, sem a presença de LEC, foi utilizado como testemunha e,
segundo a forma de sua curva, é possível distinguir uma granulometria bem
graduada (Figura 18), ou seja, larga faixa de tamanhos de grãos, com
predominância de partículas finas, prevalecendo 60% de argila, 19% de silte e
21% de areia.
Figura 18 - Curva granulométrica do tratamento T0.
48
4.1.4.2 T1 (solo com 8% de lodo de esgoto calcinado)
As partículas de LEC incorporadas ao solo fazem com que ocorra uma
diminuição da fração das partículas de argila de 60 para 37%. A quantidade de
silte aumenta de 19 para 34%, enquanto que a areia aumenta na proporção de
21 para 29%.
Inicia-se um processo de incorporação de argila pelo silte e pela areia,
aumentando a dimensão de grãos, continuando o composto desuniforme e
bem graduado, como se verifica na Figura 19.
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000Diâmetro da partícula [mm]
0
20
40
60
80
100
Pes
o pa
ssan
te [%
]
CLASSESARGILA 37%SILTE 34%AREIA 29%
Figura 19 - Curva granulométrica do tratamento T1.
49
4.1.4.3 T2 (solo com 17,5% de lodo de esgoto calcinado)
Na forma da curva granulométrica, mostrada na Figura 20 é possível
observar mais uniformidade no composto, prevalecendo um aumento das
frações de silte de 34 para 64% e um aumento na fração de areia de 29 para
36%, com ausência de argila, devido à incorporação dessas partículas pelo
LEC.
As partículas de LEC agregaram os grãos de argila, tornando mais
grossos os grãos do composto. Este efeito também foi observado por
GUIMARÃES (1980), que o atribuiu à incorporação química da argila através
do cálcio existente na cal.
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000Diâmetro da partícula [mm]
0
20
40
60
80
100
Pes
o pa
ssan
te [%
]
CLASSESARGILA 0%SILTE 64%AREIA 36%
Figura 20 - Curva granulométrica do tratamento T2.
50
4.1.4.4 T3 (solo com 28,5% de lodo de esgoto calcinado)
A curva granulométrica, observada na Figura 21, apresenta-se
contínua e uniforme, ocorrendo um pequeno acréscimo de areia de 36 para
38% e um decréscimo de silte, de 64 para 62%, com ausência de argila.
O tratamento T3 transforma a amostra de solo em grãos maiores,
prevalecendo o silte e a areia, com ausência de argila, semelhante ao
tratamento anterior (T2).
Figura 21 - Curva granulométrica do tratamento T3.
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000Diâmetro da partícula [mm]
0
20
40
60
80
100
Pes
o pa
ssan
te [%
]
CLASSESARGILA 0%SILTE 62%AREIA 38%
51
4.1.4.5 T4 (solo com 43% de lodo de esgoto calcinado)
A curva granulométrica da Figura 22 permanece uniforme, com
aumento do diâmetro dos grãos do composto, ocorrendo um acréscimo de silte
de 62 para 74% e uma redução de areia de 38 para 26%, com ausência de
argila. O lodo de esgoto calcinado levou o composto a uma faixa elevada de
silte.
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000Diâmetro da partícula [mm]
0
20
40
60
80
100
Pes
o pa
ssan
te [%
]
CLASSESARGILA 0%SILTE 74%AREIA 26%
Figura 22 - Curva granulométrica do tratamento T4.
52
4.1.4.6 Comparação das curvas granulométricas dos compostos
A forma de curva é a mesma para os solos que têm composição
granulométrica semelhante, ainda que as dimensões de suas partículas difiram
(CAPUTO, 2006).
Segundo a forma das curvas observadas na Figura 23, podem-se
distinguir as variações da granulometria dos compostos. Nos compostos T2, T3
e T4, a granulometria é uniforme, enquanto que, nos tratamentos T0 e T1, a
granulometria é desuniforme, com grande variação de dimensões de grãos.
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000Diâmetro da partícula [mm]
0
20
40
60
80
100
Pes
o pa
ssan
te [%
]
T4
T0
T1
T2
T3
T4
Figura 23 - Curva granulométrica de todos os tratamentos.
53
Conforme MENDONÇA et al. (1996), ressalta-se que mesmo solos
argilosos quando estabilizados com cal adquirem uma textura friável, de
aspecto mais granular do que o solo em seu estado natural.
4.2 DESEMPENHO MECÂNICO DOS COMPOSTOS
4.2.1 Índice de compactação
Os resultados dos ensaios de compactação na energia normal de
Proctor, observados na Figura 24, para os compostos, exibem o seguinte
comportamento: conforme se aumenta a quantidade de LEC, mais se necessita
de água para se atingir a umidade ótima, com diminuição da massa específica
aparente seca máxima.
Para o composto T0, chegou-se a uma umidade ótima de 26,3% para
uma massa específica aparente seca máxima de 14,30 kN.m-³. Para o
composto T1, chegou-se a uma umidade ótima de 27,5% para uma massa
específica aparente seca máxima de 14,15 kN.m-³. No tratamento T2
chegou-se a uma umidade ótima de 28,5% para uma massa específica
aparente seca máxima de 13,70 kN.m-³. Em relação ao tratamento T3, a
umidade ótima a que se chegou foi de 29% para uma massa específica
aparente seca máxima de 13,20 kN.m-³. Por fim, para o tratamento T4
chegou-se a uma umidade ótima de 31,3% para uma massa específica
aparente seca máxima de 12,77 kN.m-³.
De acordo com o estudo realizado em Viçosa (MG), por MENDONÇA
et al. (1996), para um Solo Saprolítico, com misturas de cal nas proporções de
2, 6 e 10%, chegou-se a uma umidade ótima de 24,3% para uma massa
específica aparente seca máxima de 15,10 kN.m-³ e, para um Latossolo
Vermelho-Amarelho, chegou-se a uma umidade ótima de 31,5% para uma
massa específica aparente seca máxima de 14,18 kN.m-³.
54
Segundo DALLACORT et al. (2002, p. 514), com relação ao uso de
solo estabilizado com cimento e produto cerâmico moído,
[...] a influência da umidade do solo na massa específica do solo-cimento, até o valor ótimo, está ligada à lubrificação das partículas do solo, que lhes permite melhor rearranjo, de forma a ocupar o menor volume possível. Ultrapassado o valor ótimo, a água começa a ocupar espaço entre as partículas, provocando diminuição da densidade; já o material ligante, composto pelo cimento e pelo resíduo de blocos moídos, além de criar, com sua hidratação, um esqueleto sólido entre os grãos do solo, tem também o efeito de micro-filler, preenchendo os pequenos vazios entre as partículas de solo, interferindo na massa específica do material.
24 26 28 30 32 34Teor de umidade [%]
12.00
12.50
13.00
13.50
14.00
14.50
Den
sida
de s
eca
máx
ima
[kN
.m-³
]
T4
T3
T2
T0
T1
Figura 24 - Curvas de compactação dos tratamentos.
Como esperado, a adição de lodo de esgoto calcinado (tendo em sua
composição a presença de cal) promoveu aumento nos valores de umidade
ótima. Verificou-se, ainda, uma tendência de redução da massa específica
aparente seca máxima à medida que os teores de lodo de esgoto calcinado
55
aumentaram. Isso evidencia que a mistura compactada tendeu a se apresentar
mais porosa, conforme relatam MENDONÇA et al. (1996), em seu estudo da
estabilização de solo com adição de cal. As curvas de compactação das
misturas solo-lodo de esgoto calcinado apresentaram valores de massa
específica aparente seca máxima abaixo daqueles do solo natural e os teores
ótimos de umidade se deslocaram para valores mais altos, acompanhando o
aumento do teor de lodo de esgoto calcinado das misturas. GUTIERREZ
(1998), estudando os efeitos da adição de cal nas propriedades físicas e
mecânicas de um solo argiloso, obteve o mesmo padrão de comportamento
para a umidade ótima de compactação e a massa específica aparente seca
máxima.
4.2.2 Índice de retração
Conforme mostrado na Figura 25, com a adição de LEC, a retração
(fissuras no corpo-de-prova dentro da caixa) diminuiu a partir dos 8% de LEC,
ocorrendo o menor índice de retração com a proporção teórica de 28,5% de
LEC no solo, sendo que, com incremento de LEC acima de 28,5%, ocorreu um
aumento da retração.
Com o cálcio presente na cal do LEC, resultante em aluminatos e
silicatos, estes detentores de grande capacidade cimentante pozolânica
(GUIMARÃES, 1980), é possível traçar uma analogia com os resultados do
solo-cimento.
De acordo com PITTA (1983), a adição de alguns compostos em solos
muito finos tem como objetivo diminuir consideravelmente a retração total. A cal
possui características de plasticidade que compensam a retração, acomodando
maiores deformações do solo e diminuindo, conseqüentemente, o índice de
retração.
Segundo COSTA & LOLLO (2007, p. 118), em estudo de solo
estabilizado com cal,
[...] o tempo de cura mostrou uma influência importante no comportamento contrátil das misturas e uma redução dos valores de retração com o tempo, devido à hidratação das moléculas do
56
aglomerante que faz com que ocorram as reações químicas responsáveis pela cimentação dos grãos do solo. Quanto maior o tempo de cura mais resistente fica a mistura, fazendo com que a perda de água para o meio não conduza a processos significativos de retração.
Figura 25 - Índice de retração dos tratamentos.
4.2.3 Resistência ao cisalhamento na compressão triaxial
As características de cisalhamento do solo são representadas pela
coesão do solo, pelo ângulo de atrito interno e pela resistência do solo ao
cisalhamento (ORTIGÃO, 1995). A coesão do solo é a força de atração entre
as superfícies de suas partículas, podendo ser real ou aparente. A coesão real
é resultado do efeito de agentes cimentantes, como teor de óxidos e de argilas
silicatadas (MULLINS & BENGHOUGH, 1990), bem como o resultado da
atração entre partículas próximas por forças eletrostáticas (MITCHELL, 1976).
57
A coesão aparente é resultado da tensão superficial da água nos capilares do
solo, formando meniscos de água entre as partículas dos solos parcialmente
saturados, que tendem a aproximá-las entre si. A coesão aparente constitui
uma parcela da resistência ao cisalhamento de solos parcialmente saturados
(FREDLUND & RAHARDJO, 1993).
A resistência do solo ao cisalhamento é determinada pelas
características coesivas e friccionais entre as partículas do solo, sendo definida
como a tensão máxima cisalhante que o solo pode suportar sem sofrer ruptura
(SOUZA PINTO, 2000). Os principais fatores que influenciam a resistência do
solo ao cisalhamento são a distribuição de partículas do solo, a densidade, a
estrutura e o teor de água no solo (McKYES et al., 1994). Em solos de textura
arenosa, a resistência ao cisalhamento depende basicamente do atrito entre as
partículas, enquanto em solos argilosos ela depende não só do atrito entre
partículas, mas também da coesão do solo (LEBERT & HORN, 1991).
4.2.3.1 Módulo de elasticidade longitudinal
Observa-se, na Figura 26, que os tratamentos provocaram grande
incremento nos valores do módulo de elasticidade, e, sendo este incremento
consistentemente linear, com coeficientes angulares variando de 0,15 a 0,17,
mostrando a alta correlação entre os parâmetros estudados. Observaram-se
também efeitos significativos do confinamento (tensões confinantes) nos
valores de E.
Os resultados demonstram que o LEC apresenta grande potencial de
uso como um resíduo capaz de aumentar a rigidez do solo.
58
Figura 26 - Efeito dos tratamentos e do confinamento no módulo de elasticidade longitudinal.
4.2.3.2 Coeficiente de Poisson
Conforme demonstrado na Figura 27, não há diferença significativa
entre os valores do υ para os diferentes tratamentos e também para as
diferentes tensões confinantes, apresentando valor médio de 0,5091.
59
0 10 20 30 40 50Dose de lodo [%]
0.40
0.44
0.48
0.52
0.56
0.60
[-]
200 kPa
100 kPa
50 kPa Tensão confinante
Figura 27 - Gráfico ilustrativo do Coeficiente de Poisson.
4.2.3.3 Tensão principal maior na ruptura
Houve influência dos tratamentos na tensão principal maior de
ruptura σ1f. As tensões de ruptura exibem valores mais elevados para maiores
dosagens. A relação mostra-se linear e, à exceção do tratamento 8,0%, as
curvas apresentam inclinações muito próximas. Também foi observado efeito
das tensões confinantes na tensão de ruptura, como mostrado na Figura 28.
ν
60
0 50 100 150 200 250Tensão confinante [kPa]
0
200
400
600
800
1000
Tens
ão a
xial
de
rupt
ura
[kPa
]
T4
T3
T2
T1
T0
Figura 28 - Comportamento da tensão principal maior de ruptura.
O tratamento T4 chegou a 930 kPa de tensão de ruptura, valor próximo
a 1 MPa; sendo que a resistência exigida pela norma para a fabricação de
tijolos para alvenaria é de 0,7 e 1,0 MPa (SABBATINI, 1998). Comparando com
o estudo experimental da resistência à compressão do solo-cimento, com
substituição parcial do cimento Portland por resíduo cerâmico moído de
DALLACORT et al. (2002, p. 518) tem-se que “os resíduos de material
cerâmico moído apresentaram ação pozolânica e efeito filler. Obtiveram-se
resistências superiores a 2MPa, com substituições de até 57%, para um teor de
material ligante de 8% [...]”.
61
4.2.3.4 Módulo de elasticidade transversal
Observa-se na Figura 29 o comportamento do módulo de elasticidade
transversal (G) em função dos tratamentos e das tensões confinantes. Pode-se
notar que a doses menores ocorre efeito pronunciado dos tratamentos, e, a
partir de 17,5 %, verifica-se uma tendência à estabilidade nos valores de G.
Esses resultados sugerem um progressivo enrijecimento estrutural no
composto, provocado pelo LEC. Uma elevada rigidez transversal é
característica de materiais elásticos de engenharia, tais como aço, concreto e
madeira, por exemplo. Isto sugere que o LEC está promovendo uma mudança
da própria natureza do material, o qual deixa de se comportar plasticamente
como os solos e passa a se comportar como materiais rígidos.
0 10 20 30 40 50Dose de lodo [%]
0
10
20
30
Mód
ulo
de e
last
icid
ade
trans
vers
al [M
Pa]
Tensão confinante
200 kPa
100 kPa
50 kPa
Figura 29 - Comportamento do módulo de elasticidade transversal.
62
Observa-se, ainda, o efeito do confinamento muito consistente em
ambas as faixas de comportamento, pois em ambas as regiões o paralelismo
entre as curvas é notável.
4.2.4 Envoltórias de ruptura para ensaios triaxiais consolidados não drenados (Círculos de Mohr)
Nas figuras 30, 31, 32, 33 e 34, estão mostrados os círculos de Mohr
obtidos nos ensaios triaxiais consolidados não drenados para os tratamentos
aplicados.
Os círculos de Mohr para o tratamento T0 mostram tipicamente o
comportamento de solos, em que a tensão confinante exerce efeito marcante,
refletido no tamanho do círculo. Maior confinamento produz círculo maior, ou
seja, é necessária uma tensão desviatória maior para que haja ruptura do
material.
Progressivamente, o efeito das confinantes vai sendo atenuado, e
parece que a dosagem 17,5 % é a fronteira entre os comportamentos. A partir
desta dosagem, a diferença nos tamanhos dos círculos torna-se pequena.
Figura 30 - Círculo de Mohr para o composto T0.
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00
Tensão normal [kPa]
-150.00
-50.00
50.00
150.00
-100.00
0.00
100.00
Tens
ão c
isal
hant
e [k
Pa]
LEGENDA50 kPa
100 kPa
200 kPa
63
Figura 31 - Círculo de Mohr para o composto T1.
Figura 32 - Círculo de Mohr para o composto T2.
0 100 200 300 400 500 600
Tensão normal [kPa]
-300
-200
-100
0
100
200
300
Tens
ão c
isal
hant
e [k
Pa]
LEGENDA50 kPa
100 kPa
200 kPa
0.00 200.00 400.00 600.00
Tensão normal [kPa]-300.00
-100.00
100.00
300.00
-400.00
-200.00
0.00
200.00
400.00
Tens
ão c
isal
hant
e [k
Pa]
LEGENDA50 kPa
100 kPa
200 kPa
64
Figura 33 - Círculo de Mohr para o composto T3.
Figura 34 - Círculo de Mohr para o composto T4.
0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00
Tensão normal [kPa]-375.00
-125.00
125.00
375.00
-500.00
-250.00
0.00
250.00
500.00
Tens
ão c
isal
hant
e [k
Pa]
LEGENDA50 kPa
100 kPa
200 kPa
0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00
Tensão normal [kPa]-375.00
-125.00
125.00
375.00
-500.00
-250.00
0.00
250.00
500.00
Tens
ão c
isal
hant
e [k
Pa]
LEGENDA50 kPa
100 kPa
200 kPa
65
Em termos de parâmetros de resistência do material, os tratamentos
proporcionam incrementos significativos na coesão e redução no ângulo de
atrito e as envoltórias de ruptura progressivamente vão se tornando menos
inclinadas e mais altas.
4.2.5 Coesão dos compostos em função do teor de LEC
Os valores de coesão obtidos com os tratamentos são mostrados na
Figura 35, considerando-se diferentes pares de círculos de Mohr para sua
obtenção. O par correspondente aos círculos de 100 e 200 kPa apresentou
dados mais consistentes, notando-se uma tendência crescente na coesão com
os tratamentos. Para os pares correspondentes aos círculos de 50 e 100 kPa e
de 50 e 200 kPa, houve um ligeiro decréscimo na coesão no tratamento T4. A
taxa de incremento da coesão mostrou-se muito baixa até a dosagem 8,0 %,
passando a ser muito acentuada até o tratamento 28,5 %.
Figura 35 - Comportamento da coesão dos compostos em função do teor de LEC.
66
4.2.6 Ângulo de atrito interno dos compostos em função do teor de LEC
Na Figura 36 é mostrado o comportamento do ângulo de atrito interno
em função dos tratamentos aplicados.
Figura 36 - Comportamento do ângulo de atrito interno dos compostos em função do teor de LEC.
SILVA & CARVALHO (2008) definem que o ângulo de atrito interno do
solo representa as características friccionais entre as partículas do solo, sendo
definido como o ângulo máximo que a força transmitida ao solo pode fazer com
a força normal à superfície de contato, sem que haja o cisalhamento do solo no
plano de ruptura. O ângulo de atrito interno do solo depende de fatores como
grau de compactação, percentagem e tipo de argila, tamanho e forma dos
grãos de areia do solo (SOUZA PINTO, 2000).
0 10 20 30 40 50Teor de lodo [%]
0
10
20
30
40
50
Âng
ulo
de a
trito
inte
rno
[gra
us] 100 e 200 kPa
50 e 200 kPa
Círculos de MOHR
50 e 100 kPa
67
As curvas relacionando o ângulo de atrito com as doses aplicadas
devem ser analisadas em conjunto com as curvas de coesão. Na região em
que a taxa de incremento da coesão foi insignificante, ocorreu um acentuado
acréscimo no ângulo de atrito; na região de acentuado crescimento da coesão,
houve uma forte queda nos valores do ângulo de atrito. Esses resultados estão
consistentes com o comportamento dos materiais de engenharia, nos quais os
parâmetros de resistência ao cisalhamento coesão e ângulo de atrito são
inversamente relacionados. Por exemplo, solos muito arenosos exibem
elevados valores de ângulo de atrito e baixos valores de coesão, e solos muito
argilosos exibem valores elevados de coesão e baixos valores de ângulo de
atrito.
VARGAS (2004) destaca que o ângulo de atrito interno de uma argila
saturada adensada fica, normalmente, entre 20 e 30º. Os resultados desta
pesquisa situaram os valores entre 10 e 30º.
O principal efeito da adição de cal aos solos reativos, do ponto de vista
dos parâmetros de resistência ao cisalhamento determinados em ensaios
triaxiais, manifesta-se em aumentos substanciais na coesão e, em escala
reduzida, no ângulo de atrito, o que traz dificuldades para a adequada
avaliação do efeito da adição de cal no comportamento deste último parâmetro
(THOMPSON, 1967).
Ainda, conforme MENDONÇA et al. (1996 p. 530), “nota-se [...] que
aumentos significativos na coesão mantêm uma relação direta com aumentos
no teor de cal, de forma inequívoca [...]”.
4.2.7 Comportamento tensão-deformação dos compostos
4.2.7.1 T0 (solo testemunha)
A Figura 37 mostra as curvas tensão desviatória em função da
deformação axial, para o tratamento T0, nas três tensões confinantes
aplicadas. O comportamento tensão-deformação apresenta, inicialmente, uma
68
região de deformações puramente elásticas, em seguida uma região de
escoamento plástico até a ruptura do material. Maiores tensões confinantes
induzem maiores tensões de ruptura, sendo este efeito bastante pronunciado.
Este comportamento é típico de solos argilosos.
De acordo com WOOD (1991, p. 486), “[…] volumetric deformations
play an important role in influencing the mechanical behavior of soils because
of the changing relative positions of soil particles that volumetric deformations
imply”3.
Figura 37 - Comportamento tensão-deformação para o tratamento T0.
3 “[...] as deformações volumétricas têm um papel importante no que concerne a influenciar o comportamento mecânico dos solos devido às mudanças relativas de posição das partículas do solo implicadas nas próprias deformações volumétricas.” Tradução livre.
69
4.2.7.2 T1 (solo com 8% de lodo de esgoto calcinado)
Na Figura 38 são mostradas as curvas tensão-deformação para o
tratamento T1, nos níveis de confinamento aplicados. O comportamento do
material ainda é elástico seguido de escoamento, com ruptura plástica.
Observa-se, também, que maiores tensões confinantes provocam maiores
tensões de ruptura e o efeito é menos pronunciado que para o tratamento T0.
0.00 0.04 0.08 0.12Deformação axial [-]
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Tens
ão d
esvi
atór
ia [k
Pa]
50 kPa
100 kPa
200 kPa
T1
Figura 38 - Comportamento tensão-deformação para o tratamento T1.
70
4.2.7.3 T2 (solo com 17,5% de lodo de esgoto calcinado)
Na Figura 39, observa-se nitidamente a ausência de patamar de
escoamento nas curvas tensão-deformação. O comportamento é puramente
elástico, caracterizando uma ruptura frágil, tal como ocorre em materiais de
engenharia rígidos.
0.00 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03Deformação axial [-]
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
Tens
ão d
esvi
atór
ia [k
Pa]
50 kPa
100 kPa
200 kPa
T2
Figura 39 - Comportamento tensão-deformação para o tratamento T2.
71
4.2.7.4 T3 (solo com 28,5% de lodo de esgoto calcinado)
Na Figura 40 observa-se o efeito do tratamento T3 na relação tensão-
deformação. O comportamento é puramente elástico, mostrando que o
composto tornou-se um material rígido. Não se observa efeito significativo das
tensões confinantes de 100 e 200 kPa, mas ainda ocorre efeito em relação à
tensão de 50 kPa.
0.00 0.01 0.02 0.03Deformação axial [-]
0
200
400
600
800
Tens
ão d
esvi
atór
ia [k
Pa]
50 kPa
100 kPa
200 kPa
T3
Figura 40 - Comportamento tensão-deformação para o tratamento T3.
72
4.2.7.5 T4 (solo com 43% de lodo de esgoto calcinado)
Na Figura 41 são apresentadas as curvas tensão-deformação para o
tratamento T4, nos níveis de confinamento aplicados. O comportamento é
elástico, com ruptura frágil. Assim como ocorreu para o tratamento T3, o efeito
confinamento só foi significativo entre a tensão de 50 kPa e as de 100 e
200 kPa. Entre as tensões confinantes de 100 e 200 kPa o efeito foi muito
pequeno.
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04Deformação axial [-]
0
200
400
600
800
Tens
ão d
esvi
atór
ia [k
Pa]
50 kPa
100 kPa
200 kPa
T4
Figura 41 - Comportamento tensão-deformação para o tratamento T4
73
Segundo MENDONÇA et al. (1996, p. 523),
[...] quando trabalhando com solos de clima temperado, o desenvolvimento das curvas tensão-deformação obtidas nos ensaios realizados [...] apontam para a impossibilidade de se definir um comportamento padrão das misturas solo-cal, para todos os solos. [...] foi observada uma dependência da deformação relativa à tensão desvio máxima com o tipo de solo, teor de cal e período de cura das misturas.
4.3 PLANOS DE RUPTURA NOS ENSAIOS DE COMPRESSÃO TRIAXIAL
Na Figura 42 mostram-se os corpos-de-prova rompidos nos ensaios
triaxiais consolidados não drenados.
Os padrões de ruptura podem ser visualizados e bem como o impacto
provocado pelo LEC no comportamento do material. Para o tratamento T1, não
existe um plano de ruptura definido, o que existem são diversas superfícies de
ruptura, característica da plastificação do material quando as deformações
caminham para a ruptura. Pela redução na altura do corpo de prova e aumento
substancial no diâmetro, ficam evidentes as grandes deformações que um
material plástico pode acomodar. No outro extremo, o corpo de prova
correspondente ao tratamento T4 exibe um plano de ruptura nitidamente
definido, característica de material rígido, com ruptura frágil. Os resultados
mostram que a adição de LEC ao solo transforma até mesmo a natureza do
material, o qual passa de comportamento elasto-plástico para comportamento
puramente elástico, e parece que a dosagem 17,5 % é a fronteira definidora
desses comportamentos.
74
8% LEC 17,5% LEC 28,5% LEC 43% LEC
Figura 42 - Imagem dos corpos-de-prova rompidos após a compressão triaxial.
75
5 CONCLUSÕES
Nas condições de realização deste experimento, é possível concluir
que:
• As curvas granulométricas mostraram efeito de agregação das
partículas mais finas promovida pelo cálcio presente no lodo,
tornando mais grossas as frações texturais nos compósitos.
• A incorporação do reforço ao solo deslocou as curvas de
compactação para baixo e para a direita, achatando-as, portanto
ampliando a faixa de trabalho em relação à umidade no campo,
porém atingindo menores densidades.
• A retração foi reduzida drasticamente até 29% do reforço, a partir
do qual sofreu ligeiro acréscimo.
• O módulo de elasticidade aumentou consistente e linearmente com
os teores de lodo nos ensaios triaxiais consolidados não drenados.
Ocorreu também incremento no módulo de elasticidade com a
tensão confinante.
• Os coeficientes angulares das curvas variaram de 0,15 a 0,17,
mostrando uma relação muito consistente entre os parâmetros
avaliados.
• O módulo aumentou acentuadamente de forma linear com os
tratamentos até a dosagem 17,5%, a partir da qual sofre ligeiro
incremento, mas ainda linear, definindo assim duas regiões bem
distintas de comportamento, uma de escoamento viscoplástico e
outra de comportamento rígido elástico.
• O coeficiente de Poisson foi praticamente constante, com valor
médio de 0,51 e desvio padrão de 0,002841.
• A tensão axial na ruptura também foi drasticamente afetada pelo
reforço e pelo confinamento, passando de 144,07 kPa no solo in
76
natura para 928,76 kPa com 43%. O comportamento mostrou-se
relação linear.
• Os planos de ruptura observados nos corpos de prova dos ensaios
triaxiais corroboram a hipótese de que o lodo alterou
substancialmente a natureza e o comportamento do compósito.
• No solo in natura e com menores dosagens, o comportamento
mecânico mostrou-se plástico, com escoamento; com dosagens
mais altas de lodo no compósito, o comportamento passou a ser
elástico, característico de corpos rígidos. O tratamento
correspondente a 17,5% de lodo parece ser a fronteira entre esses
comportamentos.
Esses resultados possibilitam a continuidade da pesquisa na ciência
dos materiais no desenvolvimento de novo produto que contribuiria para retirar
do ambiente um resíduo contaminante e transformá-lo em material com
condições de aplicação para melhoramento do desempenho mecânico do solo,
produzindo um compósito por prensagem e regulagem da umidade que
substituiriam produtos da indústria da cerâmica vermelha. Outras aplicações do
resultado dessa pesquisa poderia ser o apoio ao combate à erosão e reforço
de bases de estradas, entre outras aplicações do compósito resultante
melhorando as propriedades de engenharia do solo.
77
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